首屆光學(xué)技術(shù)論壇，艾邁斯歐司朗展示移動(dòng)與可穿戴的全面光學(xué)解決方案

今年是ams OSRAM合并的第一年，兩家歷史悠久的半導(dǎo)體廠商攜手后，開啟了第二個(gè)百年征程。一切都圍繞著“光”來展開，ams OSRAM將會(huì)注重在傳感、光源和可視化三大領(lǐng)域構(gòu)建技術(shù)平臺(tái)，從而提供業(yè)界最為完整和領(lǐng)先的光學(xué)解決方案。

“某些公司擁有單獨(dú)的一項(xiàng)兩項(xiàng)技術(shù)，但沒有任何一家公司可以在三大技術(shù)平臺(tái)上都提供核心器件、傳感和算法?！卑~斯歐司朗高級副總裁陳平路在近日召開的首屆光學(xué)技術(shù)論壇開幕詞上分享到，“ams OSRAM能夠提供所有核心器件集成的全面解決方案，我們是毫無爭議的光學(xué)解決方案領(lǐng)導(dǎo)者，繼續(xù)保持這種領(lǐng)先地位也是公司未來的愿景?！?

其實(shí)，光學(xué)傳感已經(jīng)深入到了人們生活的方方面面。在此次光學(xué)技術(shù)論壇的“移動(dòng)與可穿戴”分論壇上，來自amsOSRAM的三位技術(shù)專家給我們進(jìn)行了深入的分享。

光學(xué)傳感器革新：助力智能設(shè)備持續(xù)創(chuàng)新

近幾年智能手機(jī)的快速發(fā)展，離不開光學(xué)傳感器的演進(jìn)。從2016年至今，圍繞著屏幕的創(chuàng)新層出不窮：超窄邊框、劉海屏、水滴屏和折疊屏等。但其實(shí)屏幕的背后，離不開光學(xué)傳感器的發(fā)展。

據(jù)ams OSRAM資深市場經(jīng)理郭海波分享，光學(xué)傳感器尺寸越來越小，最新的趨勢中已經(jīng)將光接近傳感器放置在OLED下，從而騰出手機(jī)頂部寶貴空間，值得靈活的工業(yè)設(shè)計(jì)變?yōu)榭赡?。ams OSRAM在智能手機(jī)上主要提供兩大類的產(chǎn)品方案，分別是屏幕管理和攝像頭3A（AF、AWB和AE）。

【智能手機(jī)：屏幕管理】

接近傳感器在手機(jī)中用于感應(yīng)人體或其他物體是否存在，常用于防誤觸、自動(dòng)滅屏等具體應(yīng)用。主要原理就是通過紅外LED發(fā)射紅外線，靠表面發(fā)射回來的能量強(qiáng)弱來判斷接近遠(yuǎn)離?；谶@種工作原理，接近傳感器極易受到外部環(huán)境中的紅外光干擾，例如太陽光等。

艾邁斯歐司朗的接近傳感器里面集成了先進(jìn)的光學(xué)濾片，該光學(xué)濾片一個(gè)作用就是能夠?yàn)V除環(huán)境的干擾，另外還可以將本身光學(xué)傳感器的響應(yīng)曲線和人眼的響應(yīng)曲線做一個(gè)模擬，從而得到人眼能夠感受到的環(huán)境光的變化。

另一個(gè)在屏幕管理應(yīng)用中的關(guān)鍵傳感器是環(huán)境光傳感器。環(huán)境光傳感器分為三大類：傳統(tǒng)的檢測亮度的環(huán)境光傳感器；顏色類的RGBCW，也就是紅綠藍(lán)檢測的顏色傳感器；以及多區(qū)的光譜類的傳感器。

通過感知周圍亮度，從而反饋給手機(jī)去智能地實(shí)現(xiàn)屏幕亮度調(diào)整，是環(huán)境光傳感器在智能設(shè)備上的主要用途。這種智能亮度調(diào)節(jié)，可以優(yōu)化設(shè)備的電池消耗，減少屏幕強(qiáng)光對于人眼的刺激。

艾邁斯歐司朗提供了一種自適應(yīng)顯示技術(shù)，通過先進(jìn)的XYZ傳感器，提供比傳統(tǒng)RGBC更精準(zhǔn)的人眼響應(yīng)曲線的模擬。除此外，該傳感器還能夠?qū)ⅵV以及G-M shift抓取出來，通過實(shí)時(shí)上報(bào)環(huán)境光色溫信息，實(shí)現(xiàn)屏幕智能化調(diào)節(jié)。

【智能手機(jī)：攝像頭3A】

環(huán)境光線對于拍照的白平衡影響顯著，特別是混合照明和反射光。這時(shí)候就需要傳感器來準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)環(huán)境光的測量，消除閃爍影響。ams OSRAM為此提供了傳統(tǒng)的RGBCWF傳感器優(yōu)化方案和光譜傳感器方案，來助力實(shí)現(xiàn)AWB和AE的提升。

如上圖中的表格所示，相對于普通的攝像頭而言，ams OSRAM的RGBCWF傳感器來說有著更快的響應(yīng)速度；通過添加的擴(kuò)散片，獲得更大的視場角；攝像頭中集成了Flicker光源閃爍的功能，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境光源閃爍頻率檢測，幫助消除其影響；CW通道用于計(jì)算IR成分，提供準(zhǔn)確的CCT信息。

而全新的光譜傳感器則在RGBCWF傳感器的優(yōu)秀性能基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了更高的CCT精度和更準(zhǔn)確的環(huán)境光源光譜的還原，去除反射光對于CCT造成的誤差 。

如上圖所示，直接測量得出的光譜信息中疊加了反射光，因此得到的色溫值并不準(zhǔn)確。而ams OSRAM的光譜傳感器可以預(yù)先檢測到光源信息，通過預(yù)估還原之后，將更準(zhǔn)確的CCT值預(yù)估出來。郭海波表示，這種光譜還原能力在大面積純色背景中，對于整個(gè)攝像頭的白平衡提升有著極大的幫助。

除了上面提到的白平衡和自動(dòng)曝光外，另一個(gè)攝像頭上非常重要的傳感器應(yīng)用是針自動(dòng)對焦。ams OSRAM提供了多合一的ToF傳感器模組，將激光發(fā)射器、計(jì)時(shí)器、SPAD接收器和信號處理都集成在一個(gè)模組中。

該ToF模組是目前業(yè)界最小的封裝，非常適合像智能手機(jī)等非常緊湊外型的設(shè)計(jì)需求。此外該ToF模組內(nèi)部集成了艾邁斯歐司朗自產(chǎn)自研的高性能的光學(xué)濾膜，它可以極大地抵御環(huán)境光紅外線的干擾；在10萬lux的環(huán)境光照明條件下，依然能夠達(dá)到60公分以上的探測距離。

【新興可穿戴設(shè)備：環(huán)境光+紫外線檢測】

所謂的新興可穿戴設(shè)備，指的是AR、VR和智能眼鏡等。針對這種終端設(shè)備，ams OSRAM提供了超薄的環(huán)境光集成UVA檢測的傳感器——TSL25853P。該器件特點(diǎn)是在非常小的尺寸上實(shí)現(xiàn)了功能高度集成：除了可以智能地準(zhǔn)確地檢測環(huán)境光之外，它還集成了UVA的檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)紫外線的預(yù)估。

AR智能眼鏡需要佩戴外出，所以外型上需要盡量輕巧。因此環(huán)境光傳感器的尺寸要足夠小巧，才能夠滿足外出佩戴的外型需求。而集成了UVA之后，傳感器就可以直接檢測外部紫外線指數(shù)，將其顯示在眼睛屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)UVI提醒的功能。

生命體征監(jiān)測應(yīng)用于可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備上的生命體征監(jiān)測已經(jīng)逐漸向更全面、更專業(yè)的方向發(fā)展，呼吸、心率、心電圖、血氧等基礎(chǔ)生命體征參數(shù)的采集，可以通過算法反饋出被監(jiān)測人的壓力、情緒乃至是基礎(chǔ)代謝信息。

而心率與血氧的監(jiān)測也離不開光學(xué)傳感的參與。據(jù)艾邁斯歐司朗應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理黃三豪分享，一個(gè)生命體征監(jiān)測系統(tǒng)通常包含五大部分，分別是：光電前端（OFE）、模擬前端（AFE）、MCU、運(yùn)動(dòng)傳感器和算法。ams OSRAM主要提供光電前端和模擬前端兩類器件和解決方案。

【帶有發(fā)射器的第二代集成光學(xué)前端解決方案】

SFH7070是ams OSRAM推出的第二代集成光學(xué)前端解決方案。相比第一代的產(chǎn)品，在光電元器件的布局上進(jìn)行了革新，采用了對稱式的布局，將PD放在了兩個(gè)綠光芯片中間。PD的吸收光頻譜中也有特別處理，通過IR-Cut鍍膜技術(shù)濾除了環(huán)境中紅外干擾，從而保證用更純凈的綠光實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測。

黃三豪表示，消費(fèi)者在佩戴可穿戴設(shè)備時(shí)，為了舒適并不會(huì)綁定的非常緊，所以在某些運(yùn)動(dòng)場景下，不能保證設(shè)備時(shí)刻緊貼皮膚，有時(shí)候設(shè)備一端會(huì)翹起。這時(shí)候采用對稱式布局，就可以有效避免在這種情況下，傳感器采集不到信號，一端的傳感器采集不到，另一端的傳感器仍可以采集到，確保至少一端的LED可以接觸皮膚，捕捉到良好的信號。

SFH7072是在SFH7070的基礎(chǔ)上，添加了血氧的檢測功能。隨著新冠疫情的發(fā)展，血氧的檢測也愈發(fā)受到關(guān)注。而這種多傳感信號的高集成度并不是那么簡單，SFH7072已經(jīng)將LED和PD等擋墻、間距設(shè)計(jì)全部處理好，因此用戶直接拿到加上改版就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)心率和血氧測量。

SFH7074則是一個(gè)多PD的產(chǎn)品，在一個(gè)器件中提供了三個(gè)PD。兩個(gè)紅色的PD上同樣使用了IR-Cut鍍膜技術(shù)，而另一個(gè)遠(yuǎn)端PD上則沒有鍍膜，采用的是全通道的采樣方式。

如上圖所示，該產(chǎn)品的另一大特色在于其中間的LED擋墻采用了白色，PD擋墻采用黑色。白色是為了將底部的光反射出來，黑色則是為了讓PD接收的信號更純粹。這種黑白色擋墻的設(shè)計(jì)可以讓采樣的心率和血氧信號更加純粹。

【AS7050和AS7057：PPG+ECG的AFE】

針對心電圖等檢測需求，ams OSRAM提供了PPG+ECG的AFE。AS7050動(dòng)態(tài)輸入104dB；具備極低功耗表現(xiàn)，25Hz的采樣頻率只需要20微安；內(nèi)置6個(gè)PD通道和8個(gè)LED通道，提供更高的設(shè)計(jì)靈活性。更重要的是，它集成了醫(yī)療級的心電圖ECG功能，ECG和PPG兩者可以同步進(jìn)行檢測，適用于拓展出像代謝率、情緒、呼吸率等更多應(yīng)用。

AS7057則是更緊湊封裝的AFE產(chǎn)品，保持了和AS7050同樣的低功耗表現(xiàn)，但動(dòng)態(tài)輸入范圍提高到了120dB。因?yàn)槌叽缈s小，所以通道數(shù)減少到了三個(gè)（綠光、紅光和紅外），但同樣可以滿足心率+血氧的檢測需求。緊湊的封裝、低功耗的特性和完備的傳感能力，讓其非常適合于耳機(jī)等小尺寸的可穿戴設(shè)備。

黃三豪總結(jié)道，ams OSRAM在可穿戴上的應(yīng)用，不管是發(fā)射管或者接收管都相當(dāng)多元。再加上AFE，整個(gè)前端的硬件服務(wù)都可以一站式到位，所以用戶可以很容易地得到一站式完整的服務(wù)與支持。

AR眼鏡中的光科技

作為元宇宙的最為重要的硬件設(shè)備，VR/AR眼鏡的發(fā)展備受關(guān)注。ams OSRAM提供了非常全面的傳感器方案。具體應(yīng)用涉及到佩戴檢測、眼球追蹤、屏幕管理、手勢識(shí)別、近眼顯示和眼球追蹤等。

【不同顯示技術(shù)和用戶需求之間的平衡】

在此次光學(xué)技術(shù)論壇上，艾邁斯歐司朗的系統(tǒng)方案工程師孫文軒重點(diǎn)分享了AR眼鏡的光源技術(shù)趨勢和解決方案。當(dāng)前的AR眼鏡的顯示技術(shù)存在多種路線，主要分為被動(dòng)式微顯示技術(shù)、主動(dòng)式微顯示技術(shù)和掃描顯示技術(shù)。

如上表所示，不同的技術(shù)路線各自存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，具體哪種技術(shù)路線可以走出產(chǎn)業(yè)規(guī)模，還需要一段時(shí)間來觀察。而進(jìn)入應(yīng)用層面，必須要考量AR顯示的應(yīng)用要求和我們目前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)；另一方面，不同應(yīng)用市場（例如工業(yè)和消費(fèi)）的用戶需求也有著顯著差異。

如上圖所示，應(yīng)用要求需要考量的點(diǎn)多達(dá)十幾項(xiàng)，而在當(dāng)前技術(shù)水平下，勢必要做出取舍。孫文軒表示，“以目前的AR顯示技術(shù)方案來看，并沒有萬能的解決方案，我們需要基于需求去設(shè)置不同的優(yōu)先級進(jìn)而決定相關(guān)的顯示方案。”

【光機(jī)體積縮小是用戶體驗(yàn)優(yōu)化的關(guān)鍵】

ams OSRAM提供了DLP、LCoS被動(dòng)顯示系統(tǒng)所需的RGB LEDs和掃描顯示系統(tǒng)所需的RGB Laser Diodes兩種不同的光源方案。

在LED微顯示系統(tǒng)中，分色鏡和導(dǎo)光柱兩種傳統(tǒng)合光LED方案的基礎(chǔ)上，ams OSRAM推出了一種全新的LED。在原本的RGB芯片一字形排列的基礎(chǔ)上，開發(fā)了這兩顆MOSAIC LED，芯片呈田字形排列，有RGGB四芯片版本和RRGGBB六芯片版本。它相對于原本的一字型排列LED，極大改善了顏色均勻度。封裝表面距離進(jìn)一步減小，光學(xué)部件可以離芯片更近，從而收光更容易，顏色更均勻。

傳統(tǒng)LED+分色鏡的兩通道方案，可以實(shí)現(xiàn)的光機(jī)體積大概在5到10 cc，而MOSAIC LED搭配DLP/LCOS，一般可以做到大概3到5 cc的光機(jī)體積。

但為實(shí)現(xiàn)更好的消費(fèi)者的使用體驗(yàn)，3～5cc的光機(jī)體積還是太大，因此ams OSRAM針對LBS方案開發(fā)了一款RGB集成的激光器，使用該激光器搭配MEMS，可以將光機(jī)體積縮小到1cc以下。

展望AR眼鏡的未來發(fā)展，除了目前較熱的Micro LED方案外，有一種基于LBS擴(kuò)展的方案可以將光機(jī)體積做的更小，那就是MBS（Multi-Beam Scanning：多光束掃描）。也就是一顆激光器同時(shí)可以有多個(gè)點(diǎn)點(diǎn)亮進(jìn)行掃描，這對于提高顯示分辨率和均勻性而言幫助很大。針對這種多光束掃描的方案，ams OSRAM也在與合作伙伴積極開發(fā)中。

總結(jié)

此次光學(xué)技術(shù)論壇是ams OSRAM合并之后的首屆，也是集合了兩家公司在光學(xué)和傳感器方面的絕大部分優(yōu)勢技術(shù)，進(jìn)行的集中展示和講解?；谌绱她嫶蠖詈竦姆e累，我們相信ams OSRAM會(huì)像陳平路所提到的那樣，繼續(xù)延續(xù)其在光學(xué)解決方案上的領(lǐng)導(dǎo)地位，向下一個(gè)百年邁進(jìn)。