ST飞行时间模块出货达10亿,新一代大视角3D蓄势待发

  作者:王莹 时间:2019-12-03来源:澳门万博体育在线

近日,ST(意法半导体)宣布其飞行时间(ToF)模块出货量达到10亿颗,已用于150多款智能手机,以及消费电子、电脑和工业领域。记得2018年1月30日,ST在推介其第3代ToF产品时,称ToF已用于超过15家手机厂商的70余款手机,出货量超过3.5亿颗。那么,为何在不到2年内ST ToF出现了爆发式增长?另外,ST即将出炉的第4代ToF有何特点与应用拓展?

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ST大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理 张程怡

1 ST ToF爆发的原因

1)手机等市场对ToF的需求旺盛。ST大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡先生告诉澳门万博体育在线记者,ST的ToF激增,主要得益于手机前后摄像头的对焦应用,此外,其他非手机类的成长也是很蓬勃的,例如扫地机器人、水龙头、电脑等应用。另外,还有大量应用正在开发中,相信未来会带来ToF更大的增长。

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2)ST推出了满足市场需要的多代ToF。ST的ToF产品叫FlightSense?,已经有3代产品量产,2020年会推出第4代产品VL53L5。因此,ST产品的开发路线图从1维单点测距器件,扩展到新的多区域测距器件,以及添加了高分辨率3D深度感测功能;视场角(FOV)也从27°扩展到61°。创新应用主要集中在3大类:接近检测传感器,人体存在检测,激光自动对焦,目标是消费电子、个人计算机和工业市场。

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图:ST ToF的4代产品型号和主要特点

3)ST具有特殊的光学制程。ST的ToF传感器采用单光子雪崩二极管(SPAD)传感器技术,在法国Crolles的ST 300mm前工序晶圆厂制造。最终模块集成SPAD传感器和垂直腔面发射激光器(VCSEL),以及提高产品性能的必要光学元件。后工序制造厂主要做光学封装,也是ST自己的工厂,位于中国的深圳和菲律宾的卡兰巴。

2 ST ToF的差异化战略

相比于友商,ST的产品特色是什么呢?据悉,最早的ToF传感器适合接近检测和测距传感器。例如ST前3代ToF的特点如下图紫红区域:①高精度,②40  nm  SPAD(单光子雪崩二极管)。③多区域和多对象捕捉能力。指的是多个区域或多个点。④低功耗。这非常重要,因为手机等消费类电子器件是低功耗的。

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即将推出的第4代ToF的定位是3D传感器,因此将具有如上图黄色区域的特性:①高分辨率,能够做到更细致。②多合一,低功耗。例如ST也有系列产品是与环境光感测一起的。③3D-BSI(背照式),属于3D堆叠技术。

对应ToF的是一系列应用,传统的有单点、4点、6点的应用;到了3D,可以做深度的感测应用。   

3 新一代ToF产品——VL53L5

2020年初,在酝酿2年后,ST将祭出新一代产品——VL53L5,有如下特点。

1)视场角度大

ST的前3代产品的FOV(视场角)在25°~27°。新的L5达到61°。61°有2个好处:①涵盖范围更大。FOV角度需求有大有小,就像不同人穿的衣服有大有小一样,有些场景需要很窄的角度,诸如1°、2°,常用于激光雷达,搭配采样频率非常快,能够扫出非常细致的目标;但也有像超声波雷达等大角度,讲究大范围工作。具体到VL53L5的61°,适合涵盖大角度范围的产品,如大家电、大屏幕等,场景是人站在大屏幕面前,即使站在较边缘的位置也容易被捕获到。②角度可编程,以便用户自由选择所需的角度。

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视场角从27°到61°,L5做了很多改进。L5的改进包含了软硬件的改进。硬件上发射端加了镜头,以扩展更大的角度;收的凸透镜也做了放大。不过,因为加了这些光学的镜头套件,L5芯片的尺寸比前代稍大了一点。软件的改进也十分重要,因为收到的信号会更多,软件要有足够的能力去识别和处理。在软件方面,ST花费了3年左右的时间。

竞争对手也有61°左右的视场角产品,但是通常用2发1收,3发1收,3发2收,……像堆积木堆起来的方式。但是单一芯片方案,目前ST是领先的。L5的优势是体积较小,并且可以根据用户的需求把角度变小。

2)可切割

L5具有MZ(multi-zone,多区域)的特点,里面可以做切割,分成4个区域,即4个象限,每个象限可以再切割,达到14×4=16个区域或更多。以16个有效区域为例,每个区域都能独立输出测距,这代表了初步的深度变化。例如人的脸是有深浅差别的,在人脸上切分格子后,可以测到鼻头距离摄像头最短、耳朵距离最远、额头距离中等,这就得出了人脸的立体雏形。多深度的关键是要同时得到全部数据。

3D的主要用途是照相,主要在激光自动对焦和特定区域对焦。照相通常希望主题明确、背景模糊,现在有沙龙照、艺术照、C位照等,需要手机上的光学器件和软件算法来实现。例如正面拍过来鼻头是距离最近的,可以选择焦距向鼻头集中,人脸就会非常清楚。在手势识别方面,一旦有了一只手伸上来,在它的左方和右方的测距数字是不同的,通过这16个数字的变化就可以做到手势的移动判断了。而过去稳定的手势识别比较困扰。在应用方面,一家做智能音箱的公司已经用到了这种3D ToF手势识别方案,以控制音量的大小。

3)相比红外对管的优势

ToF不仅尺寸小,还是1级安规,数字输出。相比之下,传统红外对管做法靠接收到的信号强度来仿真/模拟。红外对管方案也必须要有1对发射器/接收器,不过算的是返回光子的强度/数量,节省不了多少到成本,但算法很繁琐。

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ST的ToF 芯片不仅易于应用,更大的卖点是抗温度变化,并且适合各类室内光源,不受目标物颜色的影响(例如衣服深浅的影响,黑色衣服容易吸收光子,因此返回的光子较少,因此误认为信号弱/距离远;反之,穿白衣服的都相对近一些)。

把L5放大后,可以看到表面有2个金属亮片(如下图),是滤镜,可以保护里面的镜头和芯片。从外观看是金属色,非常美观。L5里集成了3种光电产品:1个单片机(MCU)作为ToF  SoC计算器,1个强大的SPAD阵列接收器,1个1级激光发射器。所以里面带1对发射器/接收器,背面是工艺上的焊盘(如下图)。   

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4 工业用例与应用

除了手机外,ToF的应用潜力也很大,诸如测距、接近检测,典型用例有人数统计等,主要市场是门禁、农业无人机等。总结一下,主要有3类应用。

1)对焦。照相的对焦可以准确得到距离;投影仪也是一种对焦,因为对着墙来投影。因此ToF可以用于高端照相系统或投影系统。

2)人的检测/识别。可分为刷脸/认证和活体检测。①刷脸机/认证机。当前的高铁、机场的闸机目前还不够完善,有时还需要人员操作。如果人在1 m处系统就启动,无论是刷脸、刷指纹,系统会运行得非常流畅。此外,更先进的还有人脸识别机/广告机,当有人走过来时机器会启动。刷脸机/认证机,通常在使用者接近到80~100 cm左右启动。

②在用户存在检测方面,一大类是活体检测。儿童教育面板不允许人离得太近,防止孩子近视。还有一些高档、专业的电脑,不但能够检测人过来,还能判断是否是活体(诸如是人还是物体/桌椅),例如,笔记本电脑会自动感知人,人一离开就会关机。检测的小技巧是人/活体是会有波动的,诸如呼吸、移动、心跳等,ST ToF能够感受到律动。

3)物件的检验。例如机器人的避障。在机器人应用方面,有多种有趣的应用。①机器人/移动空气清新机的避障,以免撞到人或家里的物体。②扫地机器人防跌落。 ③宠物市场,例如与猫狗互动的玩具——当猫狗靠近它时会后退,宠物往后退时它会前进,成功互动几次后,玩具会撒一点儿饲料。

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图:部分机器人的应用案例

5 未来产品:重点是3D和人脸识别

1)应用驱动的产品

未来,大家是把角度继续做大,还是在其他方面发展?张程怡经理称,现在更关键的是应用是什么?ST会有更多的资源意愿往3D方向做,即MZ(多区域)分辨率的细致化是一个关键。但是还得回到原点,关注尺寸的大小、安规等。

3D ToF主要用于人脸检测。当然,用于测量物体的长宽高是机器视觉的范畴,当然3D的应用不止于此,会更加广泛,例如人脸识别。3D跟2D人脸识别的不同是必须有深度的能力。2D基础上再加1层软件能力,就是人脸的模型。人脸的模型大概是一个T型模板——2眼和鼻子,有特定的比例。image.png

图:ToF的典型应用场景

2)ToF现在是人脸识别辅助,2年后有望实现真正的人脸识别

VL53L5做了多区域,目前只能用于人脸识别辅助。因为人脸识别是分辨出你和我的不同,但L5只能分辨哪些是人脸,或者可以做手势识别、深度识别,但是再到更深度的你我识别,需要到下一代产品。

不过,L5和人脸识别芯片是一个搭配的关系。这2种芯片最后会整合成更先进的应用,在未来一两年是整合期。尽管目前也有一些友商开始有相关产品了,但大部分都是推出的第一款,还需一个完善、成熟的过程。ST计划2年内做出一个更完善的单一芯片方案出来。

具体地,过去2年人脸识别主要有3类做法:结构光,双摄方案(或3摄,4摄、5摄……方案),3D ToF方案。从技术角度看,每种做法都有其优势,都需要多一些时间后才能更完善。市面上还没有同时能把3种方案全部整合在一起的手机:又是结构光,又3、5、8摄,又要有ToF的3D。

不过,整合到单一相对小的芯片中,功能完善强大,倒是可以乐观期待的,预计在未来2年内会有很大的突破。ST和友商已经在做这方面的研发。其挑战是,为了更好地测量深度,点数越多越好,但是点数多的结果就是体积大、功耗高,导致处理器算力不够。折中的方案到底应该是多少个点、多少深度,才会是符合期待的?各家正在探索中。

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图 ST在市场排名

关键词: ToF 飞行时间

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