芯耀
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一種新技術(shù)的引爆往往從手機市場開始，2017 年蘋果推出全球首款搭載 3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)的智能手機 iPhone X，讓 3D 人臉識別 Face ID 取代了 Touch ID 指紋識別，3D 傳感器市場被徹底引爆。市場上有三種 3D 成像技術(shù)，分別是雙目立體成像、結(jié)構(gòu)光和飛行時間（ToF）。通過這些技術(shù)生成的 3D 數(shù)據(jù)可實現(xiàn)人臉識別、手部運動檢測、行人探測，以及提供 SLAM（即時定位與地圖構(gòu)建）功能。
從技術(shù)上對比，雙目成像技術(shù)具有分辨率高、精度高、抗強光干擾性強、成本低等優(yōu)勢，但是算法非常復雜、容易受到環(huán)境因素干擾、依賴環(huán)境光源、暗光場景表現(xiàn)不佳，因此目前在手機上應用相對較少。再看 3D 結(jié)構(gòu)光，受到蘋果的帶動，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)廣泛應用于 3D 人臉識別中，但是識別距離相對較短（大約 0.2m-1.2m），模組結(jié)構(gòu)比較復雜，成像容易受強光干擾，成本相對較高。
相對而言，飛行時間（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，但是其識別距離更遠（可以達到 0.4m 到 5m），抗干擾性強，不僅可以應用于 3D 建模等應用，還適用于環(huán)境重構(gòu)、手勢識別、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。
ToF 市場炙手可熱，多家芯片廠商入局
根據(jù) TrendForce 預估，手機 3D 感測應用之 Vcsel 產(chǎn)值，2019 年市場產(chǎn)值達 11.39 億美元，增長 26%；第三方權(quán)威市調(diào)機構(gòu) Yole 的預測，全球 3D 成像和傳感器的市場規(guī)模 2022 年將超過 90 億美元。其中，消費電子市場到 2022 年市場規(guī)模將超過 60 億美元。
未來市場可期，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?！癝T 是最早開發(fā)飛行時間技術(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，營收達到 9.03 億美元?！?意法半導體大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場經(jīng)理張程怡表示，“很多手機廠商都已經(jīng)采用 ToF 傳感器，ST 的 ToF 模塊被 150 多款智能手機采用，目前出貨量達到 10 億顆?！?/p>
意法半導體大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場經(jīng)理張程怡
張程怡向與非網(wǎng)記者介紹，“ST 的 FlightSense 飛行時間產(chǎn)品開發(fā)路線圖從高性能一維單點測距器件，擴展到多區(qū)域測距器件，并且最近添加了高分辨率 3D 深度傳感器，使用先進的接近檢測傳感器、人體存在檢測和激光自動對焦實現(xiàn)創(chuàng)新的應用。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）、EwokEvo Plus（VL53L1）和 EwokMZ（VL53L5），其中前三款已經(jīng)量產(chǎn)，第四款預計在 2020 年量產(chǎn)?！?/p>
除了 ST， ADI 也推出 3D ToF 技術(shù)方案，其中 CCD ToF 前端芯片 ADDI903x 系列是 ADI ToF 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 640x480；艾邁斯半導體今年也推出了 ToF 集成式模塊 TMF8801，主打小體積，比競爭對手減小超過 30%，測量范圍達到 2cm 至 2.5m 。尤其是在日光下的可用性，一般當玻璃出現(xiàn)臟污時，ToF 傳感器難以準確測量距離，而 TMF8801 可以利用片上直方圖處理功能，保持高精度測量。
在FOV上實現(xiàn)突破
ST 新一代的 ToF 傳感器 VL53L5 有兩個重要優(yōu)勢，一是視場角（FOV）從原來的 27 度增大到 61 度。FOV 達到 60 度有兩個優(yōu)勢，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)實際需要設(shè)定 FOV，靈活性更高。關(guān)于未來視場角是否會出現(xiàn)瓶頸，張程怡認為，未來角度不是最大的瓶頸，最大的瓶頸是如何在這樣的角度之下做到更好的應用，將分辨率、精準度細致化是一個關(guān)鍵點。
能夠?qū)?FOV 提高到 61 度，是因為在硬件上的發(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，我們在軟硬件上同時并進，擴大了視場角。
VL53L5 的另一個優(yōu)勢是可切割，這是革命性的突破，從 VL53L5 的代號 EwokMZ 可以看出，MZ 代表錐形，里面可以切割。切割后分成四個象限，每個象限可以再切割，達到 4x4=16 個區(qū)域或更多。以 16 個有效區(qū)域為例，每個區(qū)域都能獨立輸出測距，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 個區(qū)域的數(shù)字，可以進行手勢識別。
demo 展示
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在演示中可以看出，這臺筆記本采用了 VL53L5，圖像被切割成 64 塊，可以實現(xiàn)手勢識別。目前，在某些手機上已經(jīng)可以實現(xiàn)手勢控制翻屏、返回等控制動作，只是確定是否采用 ToF 技術(shù)完成。
ToF 的高精度得益于 ST 的 40nm SPAD 技術(shù)，SPAD 是半導體技術(shù)中一個較特殊的光學制程，它的像素能接受的光亮是目前可行性技術(shù)上最大的，也就是比 CMOS 的 sensor 更強大的光接收能力。而且針對 ToF 的是典型光學封裝，ST 可以做專門的光學封裝。張程怡還強調(diào)，“我們規(guī)劃每一代產(chǎn)品時都考慮了其針對性，前幾代產(chǎn)品不會因為新產(chǎn)品的推出而退出市場，每一代都有不同的測量距離、不同角度，可以滿足不同的需要，因此幾代產(chǎn)品同時在市場上被用戶采用。”
ToF在各種應用場景“開疆拓土”
既然 ToF 技術(shù)有這么多優(yōu)勢，用戶最關(guān)心的一定是 ToF 可以應用在哪里？對焦、人體檢測、物品檢驗是最重要的應用。
距離檢測：這是 ToF 的人體檢測。幾乎所有小朋友對平板電腦都很著迷，但是離得很近一定會造成視力下降，安裝 ToF 傳感器可以測距，監(jiān)督小朋友和平板電腦保持一定距離。
投影：利用 ToF 產(chǎn)品的自動對焦功能，用戶在使用投影儀的時候再也不用手動調(diào)試，而是自動可以實現(xiàn)對焦，從現(xiàn)場的展示來看效果非常不錯。
物體檢測：最常見的應用就是避障，已經(jīng)在掃地機器人、陪伴機器人中開始應用。TOF 能做人臉識別嗎？這是一個值得討論的問題。張程怡認為，通過 16 個數(shù)字的變化已經(jīng)可以識別手勢。目前看 16 個點有些少，未來在 3D 的路上人臉識別會水到渠成。
從當前的技術(shù)性能對比來看，ToF 和 3D 結(jié)構(gòu)光各具優(yōu)勢，同時也各有不足。隨著未來用量的增加和成本的降低，ToF 的市場規(guī)模會快速擴大，除了手機，在其它檢測應用中越來越廣泛被采用。
