ST飛行時(shí)間模塊出貨達(dá)10億，新一代大視角3D蓄勢(shì)待發(fā)

近日，ST（意法半導(dǎo)體）宣布其飛行時(shí)間（ToF）模塊出貨量達(dá)到10億顆，已用于150多款智能手機(jī)，以及消費(fèi)電子、電腦和工業(yè)領(lǐng)域。記得2018年1月30日，ST在推介其第3代ToF產(chǎn)品時(shí)，稱ToF已用于超過(guò)15家手機(jī)廠商的70余款手機(jī)，出貨量超過(guò)3.5億顆。那么，為何在不到2年內(nèi)ST ToF出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)？另外，ST即將出爐的第4代ToF有何特點(diǎn)與應(yīng)用拓展？

ST大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理 張程怡

1 ST ToF爆發(fā)的原因

1）手機(jī)等市場(chǎng)對(duì)ToF的需求旺盛。ST大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡先生告訴電子產(chǎn)品世界記者，ST的ToF激增，主要得益于手機(jī)前后攝像頭的對(duì)焦應(yīng)用，此外，其他非手機(jī)類的成長(zhǎng)也是很蓬勃的，例如掃地機(jī)器人、水龍頭、電腦等應(yīng)用。另外，還有大量應(yīng)用正在開(kāi)發(fā)中，相信未來(lái)會(huì)帶來(lái)ToF更大的增長(zhǎng)。

2）ST推出了滿足市場(chǎng)需要的多代ToF。ST的ToF產(chǎn)品叫FlightSense?，已經(jīng)有3代產(chǎn)品量產(chǎn)，2020年會(huì)推出第4代產(chǎn)品VL53L5。因此，ST產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)路線圖從1維單點(diǎn)測(cè)距器件，擴(kuò)展到新的多區(qū)域測(cè)距器件，以及添加了高分辨率3D深度感測(cè)功能；視場(chǎng)角（FOV）也從27°擴(kuò)展到61°。創(chuàng)新應(yīng)用主要集中在3大類：接近檢測(cè)傳感器，人體存在檢測(cè)，激光自動(dòng)對(duì)焦，目標(biāo)是消費(fèi)電子、個(gè)人計(jì)算機(jī)和工業(yè)市場(chǎng)。

圖：ST ToF的4代產(chǎn)品型號(hào)和主要特點(diǎn)

3）ST具有特殊的光學(xué)制程。ST的ToF傳感器采用單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器技術(shù)，在法國(guó)Crolles的ST 300mm前工序晶圓廠制造。最終模塊集成SPAD傳感器和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），以及提高產(chǎn)品性能的必要光學(xué)元件。后工序制造廠主要做光學(xué)封裝，也是ST自己的工廠，位于中國(guó)的深圳和菲律賓的卡蘭巴。

2 ST ToF的差異化戰(zhàn)略

相比于友商，ST的產(chǎn)品特色是什么呢？據(jù)悉，最早的ToF傳感器適合接近檢測(cè)和測(cè)距傳感器。例如ST前3代ToF的特點(diǎn)如下圖紫紅區(qū)域：①高精度，②40  nm  SPAD（單光子雪崩二極管）。③多區(qū)域和多對(duì)象捕捉能力。指的是多個(gè)區(qū)域或多個(gè)點(diǎn)。④低功耗。這非常重要，因?yàn)槭謾C(jī)等消費(fèi)類電子器件是低功耗的。

即將推出的第4代ToF的定位是3D傳感器，因此將具有如上圖黃色區(qū)域的特性：①高分辨率，能夠做到更細(xì)致。②多合一,低功耗。例如ST也有系列產(chǎn)品是與環(huán)境光感測(cè)一起的。③3D-BSI（背照式），屬于3D堆疊技術(shù)。

對(duì)應(yīng)ToF的是一系列應(yīng)用，傳統(tǒng)的有單點(diǎn)、4點(diǎn)、6點(diǎn)的應(yīng)用；到了3D，可以做深度的感測(cè)應(yīng)用。   

3 新一代ToF產(chǎn)品——VL53L5

2020年初，在醞釀2年后，ST將祭出新一代產(chǎn)品——VL53L5，有如下特點(diǎn)。

1）視場(chǎng)角度大

ST的前3代產(chǎn)品的FOV（視場(chǎng)角）在25°~27°。新的L5達(dá)到61°。61°有2個(gè)好處：①涵蓋范圍更大。FOV角度需求有大有小，就像不同人穿的衣服有大有小一樣，有些場(chǎng)景需要很窄的角度，諸如1°、2°，常用于激光雷達(dá)，搭配采樣頻率非常快，能夠掃出非常細(xì)致的目標(biāo)；但也有像超聲波雷達(dá)等大角度，講究大范圍工作。具體到VL53L5的61°，適合涵蓋大角度范圍的產(chǎn)品，如大家電、大屏幕等，場(chǎng)景是人站在大屏幕面前，即使站在較邊緣的位置也容易被捕獲到。②角度可編程，以便用戶自由選擇所需的角度。

視場(chǎng)角從27°到61°，L5做了很多改進(jìn)。L5的改進(jìn)包含了軟硬件的改進(jìn)。硬件上發(fā)射端加了鏡頭，以擴(kuò)展更大的角度；收的凸透鏡也做了放大。不過(guò)，因?yàn)榧恿诉@些光學(xué)的鏡頭套件，L5芯片的尺寸比前代稍大了一點(diǎn)。軟件的改進(jìn)也十分重要，因?yàn)槭盏降男盘?hào)會(huì)更多，軟件要有足夠的能力去識(shí)別和處理。在軟件方面，ST花費(fèi)了3年左右的時(shí)間。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也有61°左右的視場(chǎng)角產(chǎn)品，但是通常用2發(fā)1收，3發(fā)1收，3發(fā)2收，……像堆積木堆起來(lái)的方式。但是單一芯片方案，目前ST是領(lǐng)先的。L5的優(yōu)勢(shì)是體積較小，并且可以根據(jù)用戶的需求把角度變小。

2）可切割

L5具有MZ（multi-zone，多區(qū)域）的特點(diǎn)，里面可以做切割，分成4個(gè)區(qū)域，即4個(gè)象限，每個(gè)象限可以再切割，達(dá)到14×4=16個(gè)區(qū)域或更多。以16個(gè)有效區(qū)域?yàn)槔總€(gè)區(qū)域都能獨(dú)立輸出測(cè)距，這代表了初步的深度變化。例如人的臉是有深淺差別的，在人臉上切分格子后，可以測(cè)到鼻頭距離攝像頭最短、耳朵距離最遠(yuǎn)、額頭距離中等，這就得出了人臉的立體雛形。多深度的關(guān)鍵是要同時(shí)得到全部數(shù)據(jù)。

3D的主要用途是照相，主要在激光自動(dòng)對(duì)焦和特定區(qū)域?qū)?。照相通常希望主題明確、背景模糊，現(xiàn)在有沙龍照、藝術(shù)照、C位照等，需要手機(jī)上的光學(xué)器件和軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如正面拍過(guò)來(lái)鼻頭是距離最近的，可以選擇焦距向鼻頭集中，人臉就會(huì)非常清楚。在手勢(shì)識(shí)別方面，一旦有了一只手伸上來(lái)，在它的左方和右方的測(cè)距數(shù)字是不同的，通過(guò)這16個(gè)數(shù)字的變化就可以做到手勢(shì)的移動(dòng)判斷了。而過(guò)去穩(wěn)定的手勢(shì)識(shí)別比較困擾。在應(yīng)用方面，一家做智能音箱的公司已經(jīng)用到了這種3D ToF手勢(shì)識(shí)別方案，以控制音量的大小。

3）相比紅外對(duì)管的優(yōu)勢(shì)

ToF不僅尺寸小，還是1級(jí)安規(guī)，數(shù)字輸出。相比之下，傳統(tǒng)紅外對(duì)管做法靠接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)仿真/模擬。紅外對(duì)管方案也必須要有1對(duì)發(fā)射器/接收器，不過(guò)算的是返回光子的強(qiáng)度/數(shù)量，節(jié)省不了多少到成本，但算法很繁瑣。

ST的ToF 芯片不僅易于應(yīng)用，更大的賣點(diǎn)是抗溫度變化，并且適合各類室內(nèi)光源，不受目標(biāo)物顏色的影響（例如衣服深淺的影響，黑色衣服容易吸收光子，因此返回的光子較少，因此誤認(rèn)為信號(hào)弱/距離遠(yuǎn)；反之，穿白衣服的都相對(duì)近一些）。

把L5放大后，可以看到表面有2個(gè)金屬亮片（如下圖），是濾鏡，可以保護(hù)里面的鏡頭和芯片。從外觀看是金屬色，非常美觀。L5里集成了3種光電產(chǎn)品：1個(gè)單片機(jī)（MCU）作為ToF  SoC計(jì)算器，1個(gè)強(qiáng)大的SPAD陣列接收器，1個(gè)1級(jí)激光發(fā)射器。所以里面帶1對(duì)發(fā)射器/接收器，背面是工藝上的焊盤（如下圖）。   

4 工業(yè)用例與應(yīng)用

除了手機(jī)外，ToF的應(yīng)用潛力也很大，諸如測(cè)距、接近檢測(cè)，典型用例有人數(shù)統(tǒng)計(jì)等，主要市場(chǎng)是門禁、農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)等。總結(jié)一下，主要有3類應(yīng)用。

1）對(duì)焦。照相的對(duì)焦可以準(zhǔn)確得到距離；投影儀也是一種對(duì)焦，因?yàn)閷?duì)著墻來(lái)投影。因此ToF可以用于高端照相系統(tǒng)或投影系統(tǒng)。

2）人的檢測(cè)/識(shí)別。可分為刷臉/認(rèn)證和活體檢測(cè)。①刷臉機(jī)/認(rèn)證機(jī)。當(dāng)前的高鐵、機(jī)場(chǎng)的閘機(jī)目前還不夠完善，有時(shí)還需要人員操作。如果人在1 m處系統(tǒng)就啟動(dòng)，無(wú)論是刷臉、刷指紋，系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行得非常流暢。此外，更先進(jìn)的還有人臉識(shí)別機(jī)/廣告機(jī)，當(dāng)有人走過(guò)來(lái)時(shí)機(jī)器會(huì)啟動(dòng)。刷臉機(jī)/認(rèn)證機(jī)，通常在使用者接近到80~100 cm左右啟動(dòng)。

②在用戶存在檢測(cè)方面，一大類是活體檢測(cè)。兒童教育面板不允許人離得太近，防止孩子近視。還有一些高檔、專業(yè)的電腦，不但能夠檢測(cè)人過(guò)來(lái)，還能判斷是否是活體（諸如是人還是物體/桌椅），例如，筆記本電腦會(huì)自動(dòng)感知人，人一離開(kāi)就會(huì)關(guān)機(jī)。檢測(cè)的小技巧是人/活體是會(huì)有波動(dòng)的，諸如呼吸、移動(dòng)、心跳等，ST ToF能夠感受到律動(dòng)。

3）物件的檢驗(yàn)。例如機(jī)器人的避障。在機(jī)器人應(yīng)用方面，有多種有趣的應(yīng)用。①機(jī)器人/移動(dòng)空氣清新機(jī)的避障，以免撞到人或家里的物體。②掃地機(jī)器人防跌落。 ③寵物市場(chǎng)，例如與貓狗互動(dòng)的玩具——當(dāng)貓狗靠近它時(shí)會(huì)后退，寵物往后退時(shí)它會(huì)前進(jìn)，成功互動(dòng)幾次后，玩具會(huì)撒一點(diǎn)兒飼料。

圖：部分機(jī)器人的應(yīng)用案例

5 未來(lái)產(chǎn)品：重點(diǎn)是3D和人臉識(shí)別

1）應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品

未來(lái)，大家是把角度繼續(xù)做大，還是在其他方面發(fā)展？張程怡經(jīng)理稱，現(xiàn)在更關(guān)鍵的是應(yīng)用是什么？ST會(huì)有更多的資源意愿往3D方向做，即MZ（多區(qū)域）分辨率的細(xì)致化是一個(gè)關(guān)鍵。但是還得回到原點(diǎn)，關(guān)注尺寸的大小、安規(guī)等。

3D ToF主要用于人臉檢測(cè)。當(dāng)然，用于測(cè)量物體的長(zhǎng)寬高是機(jī)器視覺(jué)的范疇，當(dāng)然3D的應(yīng)用不止于此，會(huì)更加廣泛，例如人臉識(shí)別。3D跟2D人臉識(shí)別的不同是必須有深度的能力。2D基礎(chǔ)上再加1層軟件能力，就是人臉的模型。人臉的模型大概是一個(gè)T型模板——2眼和鼻子，有特定的比例。

圖：ToF的典型應(yīng)用場(chǎng)景

2）ToF現(xiàn)在是人臉識(shí)別輔助，2年后有望實(shí)現(xiàn)真正的人臉識(shí)別

VL53L5做了多區(qū)域，目前只能用于人臉識(shí)別輔助。因?yàn)槿四樧R(shí)別是分辨出你和我的不同，但L5只能分辨哪些是人臉，或者可以做手勢(shì)識(shí)別、深度識(shí)別，但是再到更深度的你我識(shí)別，需要到下一代產(chǎn)品。

不過(guò)，L5和人臉識(shí)別芯片是一個(gè)搭配的關(guān)系。這2種芯片最后會(huì)整合成更先進(jìn)的應(yīng)用，在未來(lái)一兩年是整合期。盡管目前也有一些友商開(kāi)始有相關(guān)產(chǎn)品了，但大部分都是推出的第一款，還需一個(gè)完善、成熟的過(guò)程。ST計(jì)劃2年內(nèi)做出一個(gè)更完善的單一芯片方案出來(lái)。

具體地，過(guò)去2年人臉識(shí)別主要有3類做法：結(jié)構(gòu)光，雙攝方案（或3攝，4攝、5攝……方案），3D ToF方案。從技術(shù)角度看，每種做法都有其優(yōu)勢(shì)，都需要多一些時(shí)間后才能更完善。市面上還沒(méi)有同時(shí)能把3種方案全部整合在一起的手機(jī)：又是結(jié)構(gòu)光，又3、5、8攝，又要有ToF的3D。

不過(guò)，整合到單一相對(duì)小的芯片中，功能完善強(qiáng)大，倒是可以樂(lè)觀期待的，預(yù)計(jì)在未來(lái)2年內(nèi)會(huì)有很大的突破。ST和友商已經(jīng)在做這方面的研發(fā)。其挑戰(zhàn)是，為了更好地測(cè)量深度，點(diǎn)數(shù)越多越好，但是點(diǎn)數(shù)多的結(jié)果就是體積大、功耗高，導(dǎo)致處理器算力不夠。折中的方案到底應(yīng)該是多少個(gè)點(diǎn)、多少深度，才會(huì)是符合期待的？各家正在探索中。

圖 ST在市場(chǎng)排名