ToF 傳感技術(shù)嶄露頭角

全球智能手機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)放緩已是大勢(shì)所趨，從目前來(lái)看，只有刺激消費(fèi)者的換機(jī)需求才能帶動(dòng)整體的市場(chǎng)銷(xiāo)量，而下一個(gè)帶動(dòng)換機(jī)需求的熱點(diǎn)到底會(huì)是什么呢？從近期各家手機(jī)廠商的動(dòng)向不難發(fā)現(xiàn)，折疊手機(jī)無(wú)疑是最被看好的下一波帶動(dòng)換機(jī)需求的“主角”。但值得注意的是，由于仍存在較多的技術(shù)瓶頸亟待克服，折疊手機(jī)暫時(shí)還無(wú)法獲得消費(fèi)者的青睞。

展望 2019 年，ToF 儼然已經(jīng)成為手機(jī)廠商的“新寵兒”，華為、小米、OPPO、vivo 均已推出搭載 ToF 后置攝像頭的新手機(jī)，以ToF做為優(yōu)化自動(dòng)對(duì)焦效果的主力，且獲得了不錯(cuò)的市場(chǎng)反響，這也使得 ToF 深度傳感技術(shù)更加鋒芒畢露。

近年來(lái)，圖像傳感器的趨勢(shì)除了從電荷耦合器件（CCD）轉(zhuǎn)向互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）之外，另一個(gè)趨勢(shì)就是從二維（2D）邁向三維（3D）。隨著 iPhone X 的問(wèn)世，以及在汽車(chē)電子、機(jī)器人等應(yīng)用市場(chǎng)的帶動(dòng)下，3D 成像傳感市場(chǎng)也迎來(lái)了真正的爆發(fā)。后續(xù)手機(jī)廠商為帶動(dòng)更多消費(fèi)者的換機(jī)需求，紛紛將目光轉(zhuǎn)向 3D 成像傳感市場(chǎng)，并希望借此刺激消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)欲望。提到 3D 成像技術(shù)，總免不了會(huì)提到三種主要方案：立體視覺(jué)如雙攝像頭或多攝像頭、結(jié)構(gòu)光、飛行時(shí)間（ToF）。

何為 ToF 技術(shù)？

接近傳感器門(mén)類(lèi)眾多，包括紅外、超聲波等，但是意法半導(dǎo)體卻另辟蹊徑，主要采用FlightSense技術(shù)，通過(guò)計(jì)算發(fā)射和返回的激光光子時(shí)間差，即計(jì)算飛行時(shí)間（ToF）方案進(jìn)行測(cè)距，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量距離更遠(yuǎn)、幀速率更高、功耗更低。

從基礎(chǔ)原理上來(lái)看，ToF是飛行時(shí)間（Time of Flight）技術(shù)的縮寫(xiě)，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過(guò)計(jì)算光線(xiàn)發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，來(lái)?yè)Q算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息。 實(shí)際上，ToF 技術(shù)除了應(yīng)用在智能手機(jī)上之外，也已開(kāi)始在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、 VR/AR手勢(shì)交互、汽車(chē)電子ADAS、安防監(jiān)控以及新零售等多個(gè)領(lǐng)域大顯身手，應(yīng)用前景十分廣闊。工業(yè)級(jí)別ToF 應(yīng)用技術(shù)測(cè)距規(guī)模彈性大，大多數(shù)情況下只需改變光源強(qiáng)度、光學(xué)視野以及發(fā)射器脈沖頻率即可完成，因此其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)十分凸顯。

消費(fèi)性電子級(jí)別的ToF 由于具有一級(jí)安規(guī)優(yōu)勢(shì)、體積小巧、響應(yīng)速度快以及識(shí)別精度高等多重優(yōu)勢(shì)，使得其無(wú)論是在移動(dòng)端還是車(chē)載等應(yīng)用領(lǐng)域日漸成為 3D 視覺(jué)的首選技術(shù)方案。而提到 3D 成像技術(shù)，總免不了會(huì)提到結(jié)構(gòu)光結(jié)合ToF 以及雙攝像頭或多攝像頭結(jié)合ToF，將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現(xiàn)出來(lái)。而這也為早已在 ToF 傳感方面潛心研究多年的意法半導(dǎo)體（ST）帶來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇。

ST在ToF領(lǐng)域大展身手

在近日于上海舉辦的 MWC 2019 上，作為 MEMS 技術(shù)和傳感器的全球領(lǐng)導(dǎo)者，意法半導(dǎo)體（ST）便展出了業(yè)內(nèi)最廣泛的 MEMS 和傳感器產(chǎn)品組合，其中包括公司推出的三代 ToF 傳感器，分別是VL6180X（第一代）、VL53L0X（第二代）、VL53L1（第三代）。

具體來(lái)看，第一代 ToF 傳感器 VL6180X 于 2014 年第二季度推出，測(cè)距最大范圍是 40cm，是一款3合1飛行時(shí)間模塊，在一個(gè)集成的模塊中整合了光源、接近傳感器和環(huán)境傳感器（ALS），相比于傳統(tǒng)的紅外（IR）技術(shù)有極大優(yōu)勢(shì)。從目標(biāo)應(yīng)用來(lái)看，該產(chǎn)品可用于移動(dòng)設(shè)備（接近檢測(cè)、環(huán)境光傳感）、家用電器（電源開(kāi)關(guān)、掃地和其他機(jī)器人）、工業(yè)（物體探測(cè)和測(cè)距、人機(jī)界面）領(lǐng)域等。

搭載 VL6180X 的教育平板

搭載 VL6180X 的 Amiro 智能化妝鏡

在現(xiàn)場(chǎng)，ST 便展出了搭載 VL6180X 的教育面板，可監(jiān)控孩子的眼睛是否離平板特別近；此外，ST 還展出了搭載 VL6180X 的 Amiro 智能化妝鏡，其外緣有一深色濾光片內(nèi)含 ST 的感應(yīng)器，用于感應(yīng)到你是否來(lái)到鏡子面前，此方案中的感應(yīng)距離約20 cm。

第二代 ToF 傳感器 VL53L0X 于 2016 年推出。據(jù)意法半導(dǎo)體影像產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡介紹，VL53L0X 采用了第二代FlightSense技術(shù)，可將測(cè)距長(zhǎng)度擴(kuò)至 2 米，精確度控制在 ±3% 范圍內(nèi)，測(cè)量速度較第一代 VL6180X 產(chǎn)品更快。相比第一代技術(shù)，第二代FlightSense技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，一方面在于持續(xù)優(yōu)化算法，另一方面是采用了 940 納米紅外波段，在它的發(fā)射環(huán)境中，干擾更少，增強(qiáng)了對(duì)外部光源的抗干擾性能。

從目標(biāo)應(yīng)用來(lái)看，該產(chǎn)品可用于攝像機(jī)輔助（超快速自動(dòng)對(duì)焦和景深圖）、智能手機(jī)或筆記本電腦節(jié)能監(jiān)測(cè)、手勢(shì)控制、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和工業(yè)控制、IoT、家用電器等。

第三代 ToF 傳感器 VL53L1X 于 2018 年 2 月推到市場(chǎng)。張程怡介紹，L53L1X 是一款長(zhǎng)距離 ToF 測(cè)距傳感器。新一代VL53L1X模塊內(nèi)加置鏡頭，其上運(yùn)行著的先進(jìn)數(shù)字固件確保了前所未有、高達(dá) 4 米的絕對(duì)距離測(cè)量。還提供特定區(qū)域（ROI）的區(qū)塊大小和位置編程，可視同視角（FoV）縮放。從目標(biāo)應(yīng)用來(lái)看，該產(chǎn)品可用于高質(zhì)量用戶(hù)檢測(cè)、長(zhǎng)距離和快速障礙物檢測(cè)或使用者檢測(cè)，輔助無(wú)人機(jī)的懸停和降落、一維的手勢(shì)識(shí)別、攝像和投影儀對(duì)焦輔助。

搭載 VL53L1X 的微型投影儀

在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，ST 展出了搭載 VL53L1X 實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦的微型投影儀。還有搭載 VL53L1X 實(shí)現(xiàn)無(wú)人售貨機(jī)或智能零售領(lǐng)域的銷(xiāo)售與庫(kù)存實(shí)時(shí)清算的演示。另值得一提的是，在本次展會(huì)上，ST首次公開(kāi)演示其人流量計(jì)數(shù)器，該解決方案用VL53L1X飛行時(shí)間傳感器計(jì)算進(jìn)門(mén)人數(shù)，并在LED屏幕上顯示人數(shù)。

意法半導(dǎo)體影像產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡

而在談到 ST 的 ToF 測(cè)距傳感器最大的優(yōu)勢(shì)時(shí)，意法半導(dǎo)體影像產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡表示，最大的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在安規(guī)、尺寸和精準(zhǔn)度這三個(gè)方面。對(duì)于未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，張程怡表示會(huì)一方面專(zhuān)注“深度研究”，同時(shí)和不同領(lǐng)域更加密切的合作，提升更加智能化的體驗(yàn)等，這是未來(lái)的一個(gè)重點(diǎn)方向。另一方面將在傳感器精度、有效距離、手勢(shì)識(shí)別方面深耕，不斷優(yōu)化。

同時(shí)，據(jù)張程怡透露，明年 ST 還會(huì)推出最新一代的 ToF 測(cè)距傳感器 VL53L5X。