晶片等級的點陣投影儀：打造新世代的 3D 深度感知核心
黃耀緯
你知道智慧型手機是怎麼做到臉部辨識的嗎？
其實，它們使用的關鍵技術叫做「結構光深度感測」。這項技術會先打出成千上萬個肉眼看不見的紅外線光點，再透過前鏡頭觀察這些光點投射在臉上的變形程度，進而重建出精確的 3D 臉部輪廓。這套系統的核心元件就是所謂的「點陣投影儀（dot projector）」。它不只用來解鎖手機，更支援臉部辨識登入帳號、行動支付等應用，確保裝置安全性與使用者便利性。
小而強大：我們的全新發明
我們與鴻海研究院半導體研究所的產學研究，展示了全球首顆將超穎介面（metasurface）全光學單晶片整合至光子晶體面射雷射（photonic crystal surface-emitting laser, PCSEL）上的點陣投影晶片，大幅度縮小體積與耗能，卻仍保有實用的 3D 感測能力。體積僅 0.025 mm³，比 iPhone 的商用模組小 約 2450 倍、省電 28.7%、晶片級整合，無需額外光學元件。這種突破性的設計不僅讓點陣投影儀變得更小、更省電，更適合用在未來的穿戴裝置、延展實境（VR/AR/XR/MR）眼鏡、行動裝置的生物辨識等場域。
圖1. (a) 晶片等級的點陣投影儀。 (b) 結構示意圖，架構包含超穎介面與光子晶體晶體面射雷射，單晶片整合而成。
為什麼需要「點陣投影儀」？
點陣投影儀可以打出數萬個紅外光點，然後用鏡頭觀察這些點投射在物體上的變形，就能計算出每個點的深度距離，完成 3D 重建。這是 iPhone Face ID 背後的關鍵技術之一。傳統的 Apple點陣投影儀（如 iPhone X到iPhone 17 Pro Max）包含：垂直共振腔面射型雷射（vertical-cavity surface-emitting laser VCSEL）陣列作為光源、兩片透鏡與一個折疊式波導結構，以及繞射光學元件（diffractive optical element, DOE）用於產生點陣圖樣，整組模組體積高達 61.25 mm³，功耗也相對較高，這對於追求輕薄與低能耗的穿戴式裝置來說是一大挑戰。此外，傳統架構的視場角（field of view, FOV）有限。若要在大視場角環境下（例如空間運算或全景深度感知）達成完整的三維測距，就必須配置多個點陣投影儀，導致穿戴裝置體積增加、耗能上升，也使設計與整合變得更加困難。
圖2. (a) 傳統點陣投影儀的4F架構，包含VCSEL 陣列、透鏡、摺疊波導。 (b) 我們的單晶點陣投影儀屏棄4F架構，只需一層超穎介面與一顆 PCSEL 光源。
超穎介面 + PCSEL：一次整合光學與雷射
超穎介面是一種奈米結構，可以精確控制光的相位、振幅與偏振。透過它，我們可以將原本需要好幾片鏡頭與光學元件的功能「壓縮」成一個超薄的平面光學。另一方面，PCSEL 是一種擁有高相干性、垂直出光與良好發散角控制的雷射光源，與超穎介面天然契合。
圖3. (a) 超穎介面電子顯微鏡照片。 (b) 傳統點陣投影儀與我們的單晶片傳統點陣投影儀實體樣品尺寸比較。
我們的技術亮點：
真正單晶片整合（monolithic integration）、雷射出光即通過超穎介面形成點陣、無需鏡頭、波導路徑或繞射光學元件、製程可在晶圓級半導體製程實現，利於量產。這樣的設計不只縮小系統，也避免了傳統 4F 架構的空間限制，特別適合厚度、體積受限的穿戴式裝置（如智慧眼鏡）。
