ST飛行時間模塊出貨達10億，新一代大視角3D蓄勢待發

近日，ST（意法半導體）宣布其飛行時間（ToF）模塊出貨量達到10億顆，已用于150多款智能手機，以及消費電子、電腦和工業領域。記得2018年1月30日，ST在推介其第3代ToF產品時，稱ToF已用于超過15家手機廠商的70余款手機，出貨量超過3.5億顆。那么，為何在不到2年內ST ToF出現了爆發式增長？另外，ST即將出爐的第4代ToF有何特點與應用拓展？

ST大中華暨南亞區影像事業部技術市場經理 張程怡

1 ST ToF爆發的原因

1）手機等市場對ToF的需求旺盛。ST大中華暨南亞區影像事業部技術市場經理張程怡先生告訴電子產品世界記者，ST的ToF激增，主要得益于手機前后攝像頭的對焦應用，此外，其他非手機類的成長也是很蓬勃的，例如掃地機器人、水龍頭、電腦等應用。另外，還有大量應用正在開發中，相信未來會帶來ToF更大的增長。

2）ST推出了滿足市場需要的多代ToF。ST的ToF產品叫FlightSense?，已經有3代產品量產，2020年會推出第4代產品VL53L5。因此，ST產品的開發路線圖從1維單點測距器件，擴展到新的多區域測距器件，以及添加了高分辨率3D深度感測功能；視場角（FOV）也從27°擴展到61°。創新應用主要集中在3大類：接近檢測傳感器，人體存在檢測，激光自動對焦，目標是消費電子、個人計算機和工業市場。

圖：ST ToF的4代產品型號和主要特點

3）ST具有特殊的光學制程。ST的ToF傳感器采用單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器技術，在法國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射激光器（VCSEL），以及提高產品性能的必要光學元件。后工序制造廠主要做光學封裝，也是ST自己的工廠，位于中國的深圳和菲律賓的卡蘭巴。

2 ST ToF的差異化戰略

相比于友商，ST的產品特色是什么呢？據悉，最早的ToF傳感器適合接近檢測和測距傳感器。例如ST前3代ToF的特點如下圖紫紅區域：①高精度，②40  nm  SPAD（單光子雪崩二極管）。③多區域和多對象捕捉能力。指的是多個區域或多個點。④低功耗。這非常重要，因為手機等消費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域的特性：①高分辨率，能夠做到更細致。②多合一,低功耗。例如ST也有系列產品是與環境光感測一起的。③3D-BSI（背照式），屬于3D堆疊技術。

對應ToF的是一系列應用，傳統的有單點、4點、6點的應用；到了3D，可以做深度的感測應用。   

3 新一代ToF產品——VL53L5

2020年初，在醞釀2年后，ST將祭出新一代產品——VL53L5，有如下特點。

1）視場角度大

ST的前3代產品的FOV（視場角）在25°~27°。新的L5達到61°。61°有2個好處：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，有些場景需要很窄的角度，諸如1°、2°，常用于激光雷達，搭配采樣頻率非常快，能夠掃出非常細致的目標；但也有像超聲波雷達等大角度，講究大范圍工作。具體到VL53L5的61°，適合涵蓋大角度范圍的產品，如大家電、大屏幕等，場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。

視場角從27°到61°，L5做了很多改進。L5的改進包含了軟硬件的改進。硬件上發射端加了鏡頭，以擴展更大的角度；收的凸透鏡也做了放大。不過，因為加了這些光學的鏡頭套件，L5芯片的尺寸比前代稍大了一點。軟件的改進也十分重要，因為收到的信號會更多，軟件要有足夠的能力去識別和處理。在軟件方面，ST花費了3年左右的時間。

競爭對手也有61°左右的視場角產品，但是通常用2發1收，3發1收，3發2收，……像堆積木堆起來的方式。但是單一芯片方案，目前ST是領先的。L5的優勢是體積較小，并且可以根據用戶的需求把角度變小。

2）可切割

L5具有MZ（multi-zone，多區域）的特點，里面可以做切割，分成4個區域，即4個象限，每個象限可以再切割，達到14×4=16個區域或更多。以16個有效區域為例，每個區域都能獨立輸出測距，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，可以測到鼻頭距離攝像頭最短、耳朵距離最遠、額頭距離中等，這就得出了人臉的立體雛形。多深度的關鍵是要同時得到全部數據。

3D的主要用途是照相，主要在激光自動對焦和特定區域對焦。照相通常希望主題明確、背景模糊，現在有沙龍照、藝術照、C位照等，需要手機上的光學器件和軟件算法來實現。例如正面拍過來鼻頭是距離最近的，可以選擇焦距向鼻頭集中，人臉就會非常清楚。在手勢識別方面，一旦有了一只手伸上來，在它的左方和右方的測距數字是不同的，通過這16個數字的變化就可以做到手勢的移動判斷了。而過去穩定的手勢識別比較困擾。在應用方面，一家做智能音箱的公司已經用到了這種3D ToF手勢識別方案，以控制音量的大小。

3）相比紅外對管的優勢

ToF不僅尺寸小，還是1級安規，數字輸出。相比之下，傳統紅外對管做法靠接收到的信號強度來仿真/模擬。紅外對管方案也必須要有1對發射器/接收器，不過算的是返回光子的強度/數量，節省不了多少到成本，但算法很繁瑣。

ST的ToF 芯片不僅易于應用，更大的賣點是抗溫度變化，并且適合各類室內光源，不受目標物顏色的影響（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，因此誤認為信號弱/距離遠；反之，穿白衣服的都相對近一些）。

把L5放大后，可以看到表面有2個金屬亮片（如下圖），是濾鏡，可以保護里面的鏡頭和芯片。從外觀看是金屬色，非常美觀。L5里集成了3種光電產品：1個單片機（MCU）作為ToF  SoC計算器，1個強大的SPAD陣列接收器，1個1級激光發射器。所以里面帶1對發射器/接收器，背面是工藝上的焊盤（如下圖）。   

4 工業用例與應用

除了手機外，ToF的應用潛力也很大，諸如測距、接近檢測，典型用例有人數統計等，主要市場是門禁、農業無人機等。總結一下，主要有3類應用。

1）對焦。照相的對焦可以準確得到距離；投影儀也是一種對焦，因為對著墻來投影。因此ToF可以用于高端照相系統或投影系統。

2）人的檢測/識別。可分為刷臉/認證和活體檢測。①刷臉機/認證機。當前的高鐵、機場的閘機目前還不夠完善，有時還需要人員操作。如果人在1 m處系統就啟動，無論是刷臉、刷指紋，系統會運行得非常流暢。此外，更先進的還有人臉識別機/廣告機，當有人走過來時機器會啟動。刷臉機/認證機，通常在使用者接近到80~100 cm左右啟動。

②在用戶存在檢測方面，一大類是活體檢測。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、專業的電腦，不但能夠檢測人過來，還能判斷是否是活體（諸如是人還是物體/桌椅），例如，筆記本電腦會自動感知人，人一離開就會關機。檢測的小技巧是人/活體是會有波動的，諸如呼吸、移動、心跳等，ST ToF能夠感受到律動。

3）物件的檢驗。例如機器人的避障。在機器人應用方面，有多種有趣的應用。①機器人/移動空氣清新機的避障，以免撞到人或家里的物體。②掃地機器人防跌落。 ③寵物市場，例如與貓狗互動的玩具——當貓狗靠近它時會后退，寵物往后退時它會前進，成功互動幾次后，玩具會撒一點兒飼料。

圖：部分機器人的應用案例

5 未來產品：重點是3D和人臉識別

1）應用驅動的產品

未來，大家是把角度繼續做大，還是在其他方面發展？張程怡經理稱，現在更關鍵的是應用是什么？ST會有更多的資源意愿往3D方向做，即MZ（多區域）分辨率的細致化是一個關鍵。但是還得回到原點，關注尺寸的大小、安規等。

3D ToF主要用于人臉檢測。當然，用于測量物體的長寬高是機器視覺的范疇，當然3D的應用不止于此，會更加廣泛，例如人臉識別。3D跟2D人臉識別的不同是必須有深度的能力。2D基礎上再加1層軟件能力，就是人臉的模型。人臉的模型大概是一個T型模板——2眼和鼻子，有特定的比例。

圖：ToF的典型應用場景

2）ToF現在是人臉識別輔助，2年后有望實現真正的人臉識別

VL53L5做了多區域，目前只能用于人臉識別輔助。因為人臉識別是分辨出你和我的不同，但L5只能分辨哪些是人臉，或者可以做手勢識別、深度識別，但是再到更深度的你我識別，需要到下一代產品。

不過，L5和人臉識別芯片是一個搭配的關系。這2種芯片最后會整合成更先進的應用，在未來一兩年是整合期。盡管目前也有一些友商開始有相關產品了，但大部分都是推出的第一款，還需一個完善、成熟的過程。ST計劃2年內做出一個更完善的單一芯片方案出來。

具體地，過去2年人臉識別主要有3類做法：結構光，雙攝方案（或3攝，4攝、5攝……方案），3D ToF方案。從技術角度看，每種做法都有其優勢，都需要多一些時間后才能更完善。市面上還沒有同時能把3種方案全部整合在一起的手機：又是結構光，又3、5、8攝，又要有ToF的3D。

不過，整合到單一相對小的芯片中，功能完善強大，倒是可以樂觀期待的，預計在未來2年內會有很大的突破。ST和友商已經在做這方面的研發。其挑戰是，為了更好地測量深度，點數越多越好，但是點數多的結果就是體積大、功耗高，導致處理器算力不夠。折中的方案到底應該是多少個點、多少深度，才會是符合期待的？各家正在探索中。

圖 ST在市場排名