3D傳感器市場(chǎng)徹底引爆

 張程怡向記者介紹，“ST的FlightSense飛行時(shí)間產(chǎn)品開發(fā)路線圖從高性能一維單點(diǎn)測(cè)距器件，擴(kuò)展到多區(qū)域測(cè)距器件，并且添加了高分辨率3D深度傳感器，使用先進(jìn)的接近檢測(cè)傳感器、人體存在檢測(cè)和激光自動(dòng)對(duì)焦實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的應(yīng)用。到目前為止，我們已經(jīng)推出四款ToF產(chǎn)品，分別是Ewok(VL53L0)、EwokEvo(VL53L3)、EwokEvoPlus(VL53L1)和EwokMZ(VL53L5)，其中前三款已經(jīng)量產(chǎn)，第四款預(yù)計(jì)在2020年量產(chǎn)。”

除了ST，ADI也推出3DToF技術(shù)方案，其中CCDToF前端芯片ADDI903x系列是ADIToF方案的核心器件之一，可支持CCD紅外光ToF傳感器，分辨率可達(dá)640x480;艾邁斯半導(dǎo)體今年也推出了ToF集成式模塊TMF8801，主打小體積，比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手減小超過30%，測(cè)量范圍達(dá)到2cm至2.5m。尤其是在日光下的可用性，一般當(dāng)玻璃出現(xiàn)臟污時(shí)，ToF傳感器難以準(zhǔn)確測(cè)量距離，而TMF8801可以利用片上直方圖處理功能，保持高精度測(cè)量。

2017年蘋果推出全球一款搭載3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的智能手機(jī)iPhoneX，讓3D人臉識(shí)別FaceID取代了TouchID指紋識(shí)別，3D傳感器市場(chǎng)被徹底引爆。市場(chǎng)上有三種3D成像技術(shù)，分別是雙目立體成像、結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間(ToF)。通過這些技術(shù)生成的3D數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、手部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、行人探測(cè)，以及提供SLAM(即時(shí)定位與地圖構(gòu)建)功能。從技術(shù)上對(duì)比，雙目成像技術(shù)具有分辨率高、精度高、抗強(qiáng)光干擾性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，但是算法非常復(fù)雜、容易受到環(huán)境因素干擾、依賴環(huán)境光源、暗光場(chǎng)景表現(xiàn)不佳，因此目前在手機(jī)上應(yīng)用相對(duì)較少。再看3D結(jié)構(gòu)光，受到蘋果的帶動(dòng)，技術(shù)已經(jīng)成熟，通過一次成像可以得到深度信息，能耗低、成像分辨率高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于3D人臉識(shí)別中，但是識(shí)別距離相對(duì)較短(大約0.2m-1.2m)，模組結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成像容易受強(qiáng)光干擾，成本相對(duì)較高。

相對(duì)而言，飛行時(shí)間(ToF)的3D成像精度和深度圖分辨率相比結(jié)構(gòu)光要低一些，功耗較高，但是其識(shí)別距離更遠(yuǎn)(可以達(dá)到0.4m到5m)，抗干擾性強(qiáng)，不僅可以應(yīng)用于3D建模等應(yīng)用，還適用于環(huán)境重構(gòu)、手勢(shì)識(shí)別、體感游戲、AR/VR等領(lǐng)域。因此，近幾年ToF成像技術(shù)越來越受到關(guān)注。

意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡

ST新一代的ToF傳感器VL53L5有兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，一是視場(chǎng)角(FOV)從原來的27度增大到61度。FOV達(dá)到60度有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一是涵蓋范圍更大，適用于稍大型產(chǎn)品，如：大家電，大銀幕等;二是FOV可編程，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定FOV，靈活性更高。關(guān)于未來視場(chǎng)角是否會(huì)出現(xiàn)瓶頸，張程怡認(rèn)為，未來角度不是較大的瓶頸，較大的瓶頸是如何在這樣的角度之下做到更好的應(yīng)用，將分辨率、精準(zhǔn)度細(xì)致化是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

能夠?qū)OV提高到61度，是因?yàn)樵谟布系陌l(fā)射端加了鏡頭。光都是有散漫性的角度，加上鏡頭以后鏡頭可以很大，也可以很小。另外，接收的凸透鏡，也做了放大，兩個(gè)都放大之后范圍就更大了，這也是建立在軟件的基礎(chǔ)上，我們?cè)谲浻布贤瑫r(shí)并進(jìn)，擴(kuò)大了視場(chǎng)角。

VL53L5的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可切割，這是革命性的突破，從VL53L5的代號(hào)EwokMZ可以看出，MZ代表錐形，里面可以切割。切割后分成四個(gè)象限，每個(gè)象限可以再切割，達(dá)到4x4=16個(gè)區(qū)域或更多。以16個(gè)有效區(qū)域?yàn)槔?，每個(gè)區(qū)域都能獨(dú)立輸出測(cè)距，這能夠代表深度的變化，由于深度的不同可以形成3D建模塊，因此，基于這16個(gè)區(qū)域的數(shù)字，可以進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別。

在演示中可以看出，這臺(tái)筆記本采用了VL53L5，圖像被切割成64塊，可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別。目前，在某些手機(jī)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制翻屏、返回等控制動(dòng)作，只是確定是否采用ToF技術(shù)完成。

ToF的高精度得益于ST的40nmSPAD技術(shù)，SPAD是半導(dǎo)體技術(shù)中一個(gè)較特殊的光學(xué)制程，它的像素能接受的光亮是目前可行性技術(shù)上較大的，也就是比CMOS的sensor更強(qiáng)大的光接收能力。而且針對(duì)ToF的是典型光學(xué)封裝，ST可以做專門的光學(xué)封裝。張程怡還強(qiáng)調(diào)，“我們規(guī)劃每一代產(chǎn)品時(shí)都考慮了其針對(duì)性，前幾代產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)樾庐a(chǎn)品的推出而退出市場(chǎng)，每一代都有不同的測(cè)量距離、不同角度，可以滿足不同的需要，因此幾代產(chǎn)品同時(shí)在市場(chǎng)上被用戶采用。”

既然ToF技術(shù)有這么多優(yōu)勢(shì)，用戶較關(guān)心的一定是ToF可以應(yīng)用在哪里?對(duì)焦、人體檢測(cè)、物品檢驗(yàn)是較重要的應(yīng)用。

距離檢測(cè)：這是ToF的人體檢測(cè)。幾乎所有小朋友對(duì)平板電腦都很著迷，但是離得很近一定會(huì)造成視力下降，安裝ToF傳感器可以測(cè)距，監(jiān)督小朋友和平板電腦保持一定距離。

投影：利用ToF產(chǎn)品的自動(dòng)對(duì)焦功能，用戶在使用投影儀的時(shí)候再也不用手動(dòng)調(diào)試，而是自動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦，從現(xiàn)場(chǎng)的展示來看效果非常不錯(cuò)。

物體檢測(cè)：較常見的應(yīng)用就是避障，已經(jīng)在掃地機(jī)器人、陪伴機(jī)器人中開始應(yīng)用。TOF能做人臉識(shí)別嗎?這是一個(gè)值得討論的問題。張程怡認(rèn)為，通過16個(gè)數(shù)字的變化已經(jīng)可以識(shí)別手勢(shì)。目前看16個(gè)點(diǎn)有些少，未來在3D的路上人臉識(shí)別會(huì)水到渠成。

從當(dāng)前的技術(shù)性能對(duì)比來看，ToF和3D結(jié)構(gòu)光各具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也各有不足。隨著未來用量的增加和成本的降低，ToF的市場(chǎng)規(guī)模會(huì)快速擴(kuò)大，除了手機(jī)，在其它檢測(cè)應(yīng)用中越來越廣泛被采用。根據(jù)TrendForce預(yù)估，手機(jī)3D感測(cè)應(yīng)用之Vcsel產(chǎn)值，2019年市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá)11.39億美元，增長(zhǎng)26%;第三方權(quán)威市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole的預(yù)測(cè)，全球3D成像和傳感器的市場(chǎng)規(guī)模2022年將超過90億美元。其中，消費(fèi)電子市場(chǎng)到2022年市場(chǎng)規(guī)模將超過60億美元。

未來市場(chǎng)可期，必然引來多家廠商分割蛋糕，芯片廠商ST、艾邁斯、ADI、英飛凌紛紛入局。“ST是較早開發(fā)飛行時(shí)間技術(shù)的廠商之一，我們的ToF產(chǎn)品隸屬于MEMS和專用圖像傳感器事業(yè)部部門。從IHS-Markit統(tǒng)計(jì)來看，2018年，ST的CMOS圖像傳感器和光電產(chǎn)品全球排名第五，營(yíng)收達(dá)到9.03億美元。”意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡表示，“很多手機(jī)廠商都已經(jīng)采用ToF傳感器，ST的ToF模塊被150多款智能手機(jī)采用，目前出貨量達(dá)到10億顆。”