自从苹果公司（Apple Inc.）于2017年首次在iPhone X推出Face ID人脸识别功能，取代了实行有些年头的Touch ID指纹识别之后，各家手机厂商才开始注意到这个以往只有在电影场景里出现的黑科技。这个让电子产品犹如拥有视觉般，得以辨别用户立体轮廓的就是3D传感模块，而其中最关键的组件就属近期红透半边天的面射型激光–VCSEL。
图一人脸识别功能（Source：Shutterstock）
VCSEL是Vertical Cavity Surface Emitting Laser的缩写，意即“垂直共振腔面射型激光”（注1）。自从1962年的第一个半导体激光二极管展示之后，陆续有类似结构的组件发布。而现代公认的VCSEL发明者则是日本东京工业大学的伊贺健一（Kenichi lga）教授，他于1977年在实验室笔记本上画出了第一个VCSEL图形（图二），并且于1979年以液相磊晶（Liquid Phase Epitaxy, LPE）技术制备出InGaAs／InP材料的VCSEL，打开了后续一连串的学术研究及商业应用。
图二手绘VCSEL图形（Source：银月光科技）
人类视觉vs. 机器视觉
说起人类视觉与机器视觉最大的差异，在于人类能将看到的画面直接解读成具有深浅的三维空间消息，机器视觉则是针对获取画面的每一个像素进行编码，只能得到二维平面图片，而没有物体远近的消息。因此，3D传感技术是提升机器视觉能力，甚至进一步赋给机器与环境互动及移动化能力的关键。
3D传感模块包含有“发射源”及“侦测器”两个部分，侦测器大致区分为Si based CMOS以及III-V类型，如InGaAs类的材料或是量子点等技术，根据不同的接收波段选择适用的侦测器。发射源目前的主流是使用红外光源（Infra-Red, IR），因为相较于可见光，红外光源有更佳的讯噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。而由于红外光波段有好几个适合的波长，像是近红外光（Near-IR, NIR）的850nm、905nm、940nm波段，短波红外光（Short-Wave IR, SWIR）的1,350nm、1,550nm波段，因此目前各家厂商各自选择不同的波段及发展相对应的模块。
3D传感模块：红外光发射源，三大组件结构大比拼
若以组件结构来区分红外光的发射源，则可以分成三大类，如图三所示，包括：1. 发光二极管（Light-Emitting diodes, LED）、2. 边发射激光器（Edge Emitting Laser, EEL），以及3. 垂直共振腔面射型激光VCSEL。虽然LED及EEL仍有价格上的优势，但考量组件稳定性及量产性，VCSEL能在更大的温度范围内维持波长的稳定性，也更容易进行数组封装。综整比较，VCSEL在高输出功率、高转换效率和高品质光束各方面都胜出，因此被广泛应用在3D传感的应用领域。
图三3D成像模块的红外光源种类（Source：闳康科技）
VCSEL新发展—汽车自动驾驶系统
VCSEL除了在光通信及智能手机的传感光源应用之外，汽车自动驾驶系统的关键传感组件－光学雷达（又称激光雷达、LiDAR），则是下一个带动VCSEL发展的重大应用。LiDAR全文为“Light Detection and Ranging”，是利用激光感知探测距离的方法，借由发射激光脉冲并收集前方物体反射回来信号的时间差，来进行距离的推算，达到测量距离的目的。而车用激光雷达系统利用同时发射并处理多点激光脉冲的数据，就能构筑成一个具有深度资讯的3D环境模型，再通过识别道路标志、汽机车、行人等静态及动态物体的位置动作，达到自主感知的目的，帮助车辆检测路径中的障碍物，进而实现避障、煞停、路径规划等自动驾驶的应用。此外，深度传感系统也可安装于车内，进行座舱内监测和乘客手势传感，达到驾驶辅助与提升乘车舒适度。
汽车产业一直朝着搭载高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance System, ADAS）的智慧自动驾驶汽车方向发展，汽车搭载光学雷达和深度传感系统已是必然的趋势。而VCSEL组件和模块要应用在车载领域，就必须通过车规AEC-Q10 2的高标准验证，范围涵盖芯片制造、组件封装、电性与光学功能及可靠度验证等。在车用组件验证的范畴里，着重在如何有效降低失效率，其终极目标则是AEC-Q004所要求的零失效。整体车用光学离散组件验证流程如图四，借由应用6δ、统计制程控制SPC（Statistical Process Control）等品管手法来有效控制失效率，并且借由提高验证样品数量来保证更低的失效率。
图四AEC-Q102验证流程图（Source：AEC-Q102）
严格的车规验证耗时漫长？闳康科技创建一站式服务
VCSEL组件的车用可靠度验证，包含了环境应力试验、加速寿命模拟试验、封装强度试验、结构强度可靠度及光学电性验证等五大项试验。为了缩短验证时间，闳康科技创建了One-Site Service的一站式服务，特别引进VCSEL光学特性测量设备（图五），在AEC-Q102验证过程无需再送回客户端执行功能验证，直接在闳康内部即可完成，减少组件来回运送时间，进而缩短整体验证时间。
图五VCSEL光学特性测量设备（Source：闳康科技）
闳康科技在AEC-Q车用电子验证有非常丰富的经验，并已辅导多家客户成功通过严格的车规验证。对于希望进入车用市场的客户，闳康科技能够提供全方位车用验证服务，也可进行整体规划方案，包括AEC-Q100、Q101、Q102、Q104、Q200等，协助客户顺利取得进入车用市场的门票，让产品能安心安装在汽车上，成为车厂供应链的一员。
图六闳康科技全方位车用验证服务（Source：闳康科技）
注1：取自国家教育研究院颁布双语词汇、学术名词暨辞书资讯网。
（首图来源：Flickr/Automobile Italia CC by 2.0；数据源：闳康科技）