IR LED/VCSEL分進合擊 智能手機生物辨識能力大躍升

若將IR LED與VCSEL兩項技術相比，IR LED光源較適合用於虹膜辨識技術，VCSEL光源則較適合用於須進行3D立體圖像分析的臉部辨識。雖擅長領域並不相同，但總體來說，這兩項技術著實皆是當今智能型手機生物辨識等級，足以大幅度躍升的重要推手。

據市調機構Counterpoint指出，2018年搭載指紋辨識功能的智能手機出貨量，預估將超過10億支，未來指紋辨識可望成為智能型手機的標準配備。

然而，除了指紋辨識的滲透率快速提升，同屬於生物辨識領域的虹膜辨識與臉部辨識現也緊追在後，在智能型手機大廠三星(Samsung)、蘋果(Apple)的領先開發並積極導入紅外線二極體(IR LED)、垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術下，將帶動周邊半導體零組件、模組製造、代工商機，規模相當可觀，這讓不少廠商紛紛於近期出現相關布局動作。

舉例而言，LED垂直整合廠隆達電子(Lextar)便於日前推出PR88紅外線LED封裝模組，該系列模組具有虹膜與臉部生物識別二合一功能，為業界少數具有雙重生物識別能力之紅外線模組。

隆達電子旗下虹膜與臉部雙重生物識別IR模組 圖片來源：隆達電子

該虹膜與臉部雙重生物識別紅外線PR88 LED，具有一顆模組即可達到雙重身分認證功能，可充分提高使用者安全性，加上其1.4mm超薄設計，更可大幅節省終端應用產品的設計空間。此系列產品現已分別導入手機與門禁系統，未來將可望應用於筆電、機器人等應用之感測裝置。

ams將於淡濱尼新廠打造VCSEL生產線

除此之外，奧地利微電子(ams)也在近期宣布將在新加坡裕廊集團淡濱尼納米空間(JTC nanoSpace@Tampines)，建立新製造廠。該廠憑藉用於高精度微型光學感測器中的濾波器沉積技術，將實現全自動化的無塵室。ams也表示，將在該廠中投資一條新的VCSEL研發和生產線。

在未來三年，該公司將在新加坡淡濱尼生產專案中，投入近2億美金，其中包括了無塵室設備的配置、VCSEL新廠房的建造，以及淡濱尼納米空間工廠感測器的製造生產。

不過，在臉部辨識的部分，近日最大幅度的進展莫過於蘋果在今年9月推出的iPhone X中，以TrueDepth相機實現的Face ID。

VCSEL光束集中臉部掃描非它不可

雖然蘋果並未公開說明TrueDepth相機背後的核心技術，但考慮到紅外線(IR)技術的先天限制，專家認為，該相機惟有採用光波發散角度小、光束集中的VCSEL組件，並搭配時差測距技術才有辦法實現。

交通大學光電工程學系特聘教授郭浩中表示，iPhone X內建的TrueDepth相機(圖3)100%是採用VCSEL組件。第一個分析面向，是從目前受惠於VCSEL的供應鏈來看，包括Lumentum、穩懋半導體、大立光等廠商所製造、代工的產品現皆已出貨。

郭浩中進一步表示，第二個分析面向，則是從技術的角度來看，若要運用IR LED技術來達成TrueDepth相機是不可能的，原因在於IR LED光波的半高寬(FWHM)約為20nm，其發散角很大。若用這種光波來掃描對象，最終得到的結果將是模糊的，解析度也比較差，不可能達成TrueDepth相機中，辨識度、安全性很高的臉部辨識。

以生物辨識來說，紅外線光波比較適合的應用領域是虹膜辨識。例如三星Galaxy S8/S8+所搭載的虹膜辨識功能，即是以IR LED作為光源。三星的紅外線感測模組主要是由810nm的IR LED與CMOS影像感測器組成，該模組可對2D平面的圖像進行比對與辨識。郭浩中分析，若虹膜辨識採用VCSEL技術來實現，就如同殺雞用牛刀，其必要性並不高。

郭浩中指出，VCSEL如同一種進化版的LED，該組件運用共振腔、過濾器來提高光波的同調性與指向性，這是VCSEL的光束不會像普通LED那麼發散的關鍵。但就本質而言，VCSEL最核心的技術仍是LED。

值得一提的是，VCSEL的架構很容易擴展，雖然1個VCSEL約只能發射出5mW的功率，但100個VCSEL便可發射出500mW的功率，且VCSEL雷射組件非常省電，這些因素皆讓該組件在進行陣列(Array)排列後，可順利在智能型手機上實現3D生物辨識。

iPhone X所使用臉部辨識技術可針對3D立體圖像進行辨識，其採用光波半高寬小於1nm的VCSEL，並運用時差測距(Time of Flight, ToF)技術，藉由30,000個雷射光源點打出、彈回的時間差，來推算出智能型手機與臉部各部位之間的距離，再根據臉部各點與點之間的距離差異，來建立人臉立體輪廓的模型。

即便VCSEL的可用性相當大，但過去該組件因技術門檻較高，加上需求規模不大，成本居高不下。若將現階段的VCSEL與IR LED成本進行相比，由於IR LED少了共振腔的成本，因此整體組件的成本比VCSEL還要低。

TrueDepth相機激勵VCSEL成本可望下探

不過，蘋果於新款iPhone X協助實現臉部辨識的TrueDepth相機中，大量使用該類型組件，且光是單支手機組件用量便高達上百顆，可望帶動VCSEL組件成本逐步降低。

郭浩中分析，目前VCSEL成本較高，主要原因與該組件的製程較為困難有關，如今有能力生產VCSEL材料的廠商並不多，包括IQE、Avago、Finisar等，且過去礙於需求量、良率的問題，讓成本遲遲難以下降。隨著蘋果將VCSEL組件導入iPhone X中，郭浩中預估，該組件成本在未來3~5年將有機會大幅下降。

VCSEL組件除用於智能型手機的臉部辨識，現也已應用在蘋果的AirPods耳機，該款耳機的無線功能，即是透過VCSEL組件進行定位，讓耳機可偵測出使用者何時正將耳機戴上、拿下，並立即進行自動開啟、關閉動作，因此該耳機雖是無線的，但使用者並不須要進行電源開關。

不過，此類型應用對VCSEL組件的需求量較少，約3顆左右，仍遠不及TrueDepth相機中上百顆的採用量。

郭浩中指出，過去大家對雷射的了解並不多，容易誤以為雷射是很困難的技術，實際上不然。VCSEL是一個平面的發光組件，透過雷射測距技術將光波發射出打到標的物後再彈回，藉由光波反射的時間來計算出實際距離的長短，像是在蘋果iPhone X中的TrueDepth相機，便是大量運用此類型的雷射光源點進行計算。

交通大學郭浩中教授實驗室研究用之VCSEL組件(組件經顯微鏡放大)

郭浩中進一步分析，蘋果在以VCSEL發展臉部辨識技術上，開發時間至少達三年以上，如今能成功以iPhone X發布該項應用，除了技術成熟外，還與蘋果旗下行動支付Apple Pay有很大的關聯，因在行動支付中，安全性極為重要，這讓生物識別的識別率很有必要做更多的提升。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 未來視界 的精彩文章: