IR LED/VCSEL分进合击,智能机生物识别能力大跃升

若将IR LED与VCSEL两项技术相比，IR LED光源较适合用于虹膜辨识技术，VCSEL光源则较适合用于须进行3D立体图像分析的脸部辨识。虽擅长领域并不相同，但总体来说，这两项技术着实皆是当今智慧型手机生物辨识等级，足以大幅度跃升的重要推手。

据市调机构Counterpoint指出，2018年搭载指纹辨识功能的智慧手机出货量，预估将超过10亿支，未来指纹辨识可望成为智慧型手机的标准配备。

然而，除了指纹辨识的渗透率快速提升，同属于生物辨识领域的虹膜辨识与脸部辨识现也紧追在后，在智慧型手机大厂三星(Samsung)、苹果(Apple)的领先开发并积极导入红外线二极体(IR LED)、垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技术下，将带动周边半导体零组件、模组制造、代工商机，规模相当可观，这让不少厂商纷纷于近期出现相关布局动作。

举例而言，LED垂直整合厂隆达电子(Lextar)便于日前推出PR88红外线LED封装模组(图1)，该系列模组具有虹膜与脸部生物识别二合一功能，为业界少数具有双重生物识别能力之红外线模组。

该虹膜与脸部双重生物识别红外线PR88 LED，具有一颗模组即可达到双重身分认证功能，可充分提高使用者安全性，加上其1.4mm超薄设计，更可大幅节省终端应用产品的设计空间。此系列产品现已分别导入手机与门禁系统，未来将可望应用于笔电、机器人等应用之感测装置。

ams将于淡滨尼新厂　打造VCSEL生产线

除此之外，奥地利微电子(ams)也在近期宣布将在新加坡裕廊集团淡滨尼纳米空间(JTC nanoSpace@Tampines)，建立新制造厂。该厂凭藉用于高精度微型光学感测器中的滤波器沉积技术，将实现全自动化的无尘室。ams也表示，将在该厂中投资一条新的VCSEL研发和生产线。

在未来三年，该公司将在新加坡淡滨尼生产专案中，投入近2亿美金，其中包括了无尘室设备的配置、VCSEL新厂房的建造，以及淡滨尼纳米空间工厂感测器的制造生产。

不过，在脸部辨识的部分，近日最大幅度的进展莫过于苹果在今年9月推出的iPhone X中，以TrueDepth相机实现的Face ID。

VCSEL光束集中　脸部扫描非它不可

虽然苹果并未公开说明TrueDepth相机背后的核心技术，但考量到红外线(IR)技术的先天限制，专家认为，该相机惟有采用光波发散角度小、光束集中的VCSEL元件，并搭配时差测距技术才有办法实现。

交通大学光电工程学系特聘教授郭浩中表示，iPhone X内建的TrueDepth相机(图3)100%是采用VCSEL元件。第一个分析面向，是从目前受惠于VCSEL的供应链来看，包括Lumentum、稳懋半导体、大立光等厂商所制造、代工的产品现皆已出货。

郭浩中进一步表示，第二个分析面向，则是从技术的角度来看，若要运用IR LED技术来达成TrueDepth相机是不可能的，原因在于IR LED光波的半高宽(FWHM)约为20nm，其发散角很大。若用这种光波来扫描物件，最终得到的结果将是模糊的，解析度也比较差，不可能达成TrueDepth相机中，辨识度、安全性很高的脸部辨识。

以生物辨识来说，红外线光波比较适合的应用领域是虹膜辨识。例如三星Galaxy S8/S8+所搭载的虹膜辨识功能，即是以IR LED作为光源。三星的红外线感测模组主要是由810nm的IR LED与CMOS影像感测器组成，该模组可对2D平面的图像进行比对与辨识。郭浩中分析，若虹膜辨识采用VCSEL技术来实现，就如同杀鸡用牛刀，其必要性并不高。

郭浩中指出，VCSEL如同一种进化版的LED，该元件运用共振腔、过滤器来提高光波的同调性与指向性，这是VCSEL的光束不会像普通LED那么发散的关键。但就本质而言，VCSEL最核心的技术仍是LED。

值得一提的是，VCSEL的架构很容易扩展，虽然1个VCSEL约只能发射出5mW的功率，但100个VCSEL便可发射出500mW的功率，且VCSEL雷射元件非常省电，这些因素皆让该元件在进行阵列(Array)排列后，可顺利在智慧型手机上实现3D生物辨识。

iPhone X所使用脸部辨识技术可针对3D立体图像进行辨识，其采用光波半高宽小于1nm的VCSEL，并运用时差测距(Time of Flight, ToF)技术，借由30,000个雷射光源点打出、弹回的时间差，来推算出智慧型手机与脸部各部位之间的距离，再根据脸部各点与点之间的距离差异，来建立人脸立体轮廓的模型。

即便VCSEL的可用性相当大，但过去该元件因技术门槛较高，加上需求规模不大，成本居高不下。若将现阶段的VCSEL与IR LED成本进行相比，由于IR LED少了共振腔的成本，因此整体元件的成本比VCSEL还要低。

TrueDepth相机激励　VCSEL成本可望下探

不过，苹果于新款iPhone X协助实现脸部辨识的TrueDepth相机中，大量使用该类型元件，且光是单支手机元件用量便高达上百颗，可望带动VCSEL元件成本逐步降低。

郭浩中分析，目前VCSEL成本较高，主要原因与该元件的制程较为困难有关，如今有能力生产VCSEL材料的厂商并不多，包括IQE、Avago、Finisar等，且过去碍于需求量、良率的问题，让成本迟迟难以下降。随着苹果将VCSEL元件导入iPhone X中，郭浩中预估，该元件成本在未来3~5年将有机会大幅下降。

VCSEL元件除用于智慧型手机的脸部辨识，现也已应用在苹果的AirPods耳机，该款耳机的无线功能，即是透过VCSEL元件进行定位，让耳机可侦测出使用者何时正将耳机戴上、拿下，并立即进行自动开启、关闭动作，因此该耳机虽是无线的，但使用者并不须要进行电源开关。

不过，此类型应用对VCSEL元件的需求量较少，约3颗左右，仍远不及TrueDepth相机中上百颗的采用量。

郭浩中指出，过去大家对雷射的了解并不多，容易误以为雷射是很困难的技术，实际上不然。VCSEL是一个平面的发光元件(图4)，透过雷射测距技术将光波发射出打到标的物后再弹回，借由光波反射的时间来计算出实际距离的长短，像是在苹果iPhone X中的TrueDepth相机，便是大量运用此类型的雷射光源点进行计算。

郭浩中进一步分析，苹果在以VCSEL发展脸部辨识技术上，开发时间至少达三年以上，如今能成功以iPhone X发布该项应用，除了技术成熟外，还与苹果旗下行动支付Apple Pay有很大的关联，因在行动支付中，安全性极为重要，这让生物识别的识别率很有必要做更多的提升。