3D成像市場火爆，ToF模組出貨10億背后的故事

 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人臉識別FaceID取代了TouchID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(shí)間(ToF)。通過這些技術(shù)生成的3D數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)人臉識別、手部運(yùn)動檢測、行人探測，以及提供SLAM(即時(shí)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(qiáng)光干擾性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，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、暗光場景表現(xiàn)不佳，因此目前在手機(jī)上應(yīng)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(yīng)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(fù)雜，成像容易受強(qiáng)光干擾，成本相對較高。相對而言，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。

從生物感知到虛擬現(xiàn)實(shí)，從人臉識別到3D建模，前置人臉識別+后置虛擬現(xiàn)實(shí)功能可能成為手機(jī)的下一個(gè)形態(tài)，ToF有望成為智能手機(jī)攝像頭的下一個(gè)風(fēng)口。作為ToF傳感器模組全球前三大供應(yīng)商，ST曾經(jīng)的轉(zhuǎn)型策略和未來的發(fā)展方向都引人關(guān)注。飛行時(shí)間(ToF)與結(jié)構(gòu)光(StructuredLight)、雙目視覺技術(shù)(StereoVision)一起，共同組成了當(dāng)前3D攝像頭的三條主流技術(shù)路線。根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)YoleDéveloppement的預(yù)測，受益于消費(fèi)電子市場可預(yù)見的爆發(fā)式增長，全球3D成像與傳感的市場規(guī)模將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元，復(fù)合年均增長率(CAGR)達(dá)到38%。其中，用于消費(fèi)電子的3D成像與傳感市場將從2016年的2000萬美元增長至2022年的60.58億美元，復(fù)合年均增長率達(dá)到158%。

國盛證券的報(bào)告顯示，從出貨量上來看，智能手機(jī)3D感測需求將從2017年的4000萬部增加至2019年的2億部以上，其中2019年的ToF機(jī)型還主要集中在幾款高端旗艦機(jī)，但從2020年開始，ToF手機(jī)的出貨量將進(jìn)一步爆發(fā)，在整體3D感應(yīng)中占比有望達(dá)到40%。預(yù)計(jì)2019/2020年ToF手機(jī)的出貨量為7760萬，同比大幅增長747%。

成本方面，預(yù)計(jì)ToF和結(jié)構(gòu)光的BOM成本大約為12-15美元和20美元，相比之下ToF更具有成本優(yōu)勢。以iPhoneX為例，結(jié)構(gòu)光技術(shù)的解決方案包括三個(gè)子模塊(點(diǎn)投影儀、近紅外攝像機(jī)和泛光照明器+接近傳感器)，而ToF解決方案則將三個(gè)集成到一個(gè)模塊中，芯片的成本大約占到整體BOM的28%-30%。

圍繞先進(jìn)成像傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)型

ToF芯片領(lǐng)域玩家眾多。根據(jù)IHSMarkit的統(tǒng)計(jì)，盡管意法半導(dǎo)體(ST)在全球CMOS影像傳感器與其它光電產(chǎn)品的市場份額中排名第五，但隸屬其中的飛行時(shí)間(ToF)模塊迄今為止已經(jīng)在150多款智能手機(jī)中得到使用，累計(jì)出貨10億顆，評估套件銷量超過35,000套，也使得ST成為ToF傳感器全球前三大供應(yīng)商。

ST首席執(zhí)行官Jean-MarcChery在2018年底參加由ASPENCORE舉行的“全球CEO峰會”時(shí)，講述了ST在2012-2016年之間如何圍繞先進(jìn)成像傳感器業(yè)務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)型的鮮為人知的故事。正是在2012-2013年間，Chery向時(shí)任CEOCarloBozotti建議，將公司的普通成像模塊業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向高級成像開發(fā)，大規(guī)模地將人員從機(jī)頂盒、數(shù)字電視和微控制器部門轉(zhuǎn)移到成像部門，并維持了一個(gè)超過500人的成像部門，重點(diǎn)關(guān)注飛行時(shí)間、全局快門、卷簾快門和圖像信號處理器等技術(shù)。

與蘋果公司合作開發(fā)結(jié)構(gòu)光技術(shù)是扭轉(zhuǎn)被動局面的關(guān)鍵一役。雖然Chery沒有將過去兩年來ST的奇跡轉(zhuǎn)型歸功于自己，但他確實(shí)是ST新的成像策略的幕后指揮。包含ToF、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和模擬驅(qū)動器的紅外泛光感應(yīng)元件模塊，幫助蘋果公司在手機(jī)中通過“結(jié)構(gòu)光”技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了能夠進(jìn)行人臉識別的3D感應(yīng)，開創(chuàng)了生物識別應(yīng)用的新領(lǐng)域。

Chery說在半導(dǎo)體領(lǐng)域，競爭者總能趕上，這只是錢的問題。因此在“結(jié)構(gòu)光”方面，ST采用了完全定制的解決方案，致力于服務(wù)一個(gè)重要的客戶，由一個(gè)專門的團(tuán)隊(duì)與客戶密切合作開發(fā)，以便ST能夠設(shè)計(jì)出強(qiáng)大的開發(fā)規(guī)劃圖來預(yù)測客戶的需求，并形成競爭進(jìn)入壁壘。

當(dāng)然，在意識到整個(gè)團(tuán)隊(duì)投入全部資源專門為一個(gè)非常強(qiáng)勢的客戶開發(fā)技術(shù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)后，ST還同時(shí)進(jìn)行了基于單光子雪崩二極管(SPAD)和光電二極管ToF傳感器的成像產(chǎn)品開發(fā)，并起名叫做FlightSense。其基本工作原理是ToF測距芯片發(fā)出940nm完全不可見近紅外光，遇到物體后反射，F(xiàn)lightSense傳感器根據(jù)光子往返飛行時(shí)間來直接測算物體與傳感器的距離。優(yōu)勢在于測量精度不輕易受被測物體表面特性的影響，測距時(shí)間非?？欤瑑H需幾毫秒，并易于集成為一個(gè)符合安規(guī)，保障人體安全的激光傳感器。

對于ToF傳感器的使用，ST首先采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品為智能手機(jī)、AR/VR等高級應(yīng)用開發(fā)距離傳感器。但在他們的計(jì)劃中，準(zhǔn)備布局的領(lǐng)域其實(shí)還有很多，包括測距、接近檢測、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、門禁、農(nóng)業(yè)無人機(jī)等，甚至還打算推出類似激光雷達(dá)的衍生產(chǎn)品以服務(wù)汽車市場。核心目標(biāo)是使用這兩種ToF技術(shù)(基于SPAD和光電二極管)來服務(wù)更大的Android市場，與ams、索尼、英飛凌形成競爭。

從“略顯小眾”到“一飛沖天”

很多人認(rèn)為iPhone7是ToF測距傳感器首度現(xiàn)身智能手機(jī)市場的標(biāo)志，但其實(shí)這是一個(gè)誤解。該技術(shù)在BlackberryPassport智能手機(jī)中得到采用，它當(dāng)時(shí)使用了ST三合一智能光學(xué)模塊VL6180X，整合了接近傳感器、環(huán)境光傳感器以及VCSEL光源。很快，在隨后推出的幾款LG手機(jī)中也發(fā)現(xiàn)了這款組件。

2017年1月，ST推出其第二代ToF傳感器——VL53L0X，一經(jīng)推出，就有6家來自亞太地區(qū)的手機(jī)制造商宣布采用這款傳感器芯片。相較于VL6180，VL53L0省去了環(huán)境光傳感器，而其SPAD模組也加以了改善。而在iphone7，包括后來的iPhoneX中，ST將VCSEL接合在ToF芯片頂端，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了更精巧的模塊。

5年來，ST已經(jīng)陸續(xù)推出了VL6180X、VL53L0X、VL53L1、VL53L3、VL53L5四代FlightSense產(chǎn)品。其中VL53L5是ST第四代產(chǎn)品，將于明年正式推出。FlightSense路線圖也從高性能一維測距器件擴(kuò)展到了多區(qū)域解決方案，并且最近還增加了高分辨率3D深度感知能力，以實(shí)現(xiàn)采用先進(jìn)接近感應(yīng)、人體存在檢測和激光自動對焦的創(chuàng)新應(yīng)用。

STFlightSense產(chǎn)品組合

先進(jìn)的像素技術(shù)和硅制造工藝，先進(jìn)的光學(xué)封裝/模塊與影像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，則被ST大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場經(jīng)理張程怡視作ST差異化智能傳感和光源解決方案的源頭活水。

ST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

早在2014年和2015年，ST就已經(jīng)開發(fā)了非常廣泛的技術(shù)路線圖和產(chǎn)品組合，例如在FD-SOI上開發(fā)的純CMOS技術(shù)、模擬和混合信號技術(shù)BiCMOS、基于CMOS的圖像傳感器技術(shù)、嵌入式閃存技術(shù)、以及RFCMOS技術(shù)。另一方面，ST還開發(fā)了BiCMOS、DMOS、BiPolar-CMOS-DMOS技術(shù)、硅上電源技術(shù)、碳化硅(SiC)/氮化鎵(GaN)技術(shù)。正是這些令人眼花繚亂的技術(shù)組合，為SPAD等技術(shù)的推出提供了可能。

即將于2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的VL53L5尺寸為6.4x3.0x1.5mm，采用40nmSPAD工藝制造，“角度大”和“可切割”是其較主要的兩大特點(diǎn)。與普通ToF產(chǎn)品25-27度的視場角(FOV)不同，VL53L5的FOV較大能夠達(dá)到61度，由此帶來的好處一是覆蓋范圍更廣，更適合大家電、大屏幕產(chǎn)品使用;二是客戶可根據(jù)自己的需求，通過算法縮小、中間變化等方式對FOV角度進(jìn)行編程，彈性更大。

VL53L5具有多區(qū)域(Multi-Zone,MZ)的特點(diǎn)，可以被初步切割為四個(gè)象限區(qū)塊，每個(gè)象限還可以根據(jù)需要進(jìn)行再切割，達(dá)到16個(gè)區(qū)域或更多，每個(gè)區(qū)域都能獨(dú)立輸出測距值，從而代表了初步的深度變化。以人臉為例，由于臉是有深淺差別的，所以如果在人臉圖像上進(jìn)行切割，將會看到鼻頭距離較短、耳朵距離較遠(yuǎn)、額頭距離中間，以此得到臉的3D雛形。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)上述兩大特點(diǎn)，L5系列在硬件上發(fā)射端增加了鏡頭，接收端的凸透鏡也做了放大，使得芯片尺寸較比前代有所增加。

目前，STToF傳感器模組主要采用SPAD傳感技術(shù)，在位于法國Crolles的300mm前端晶圓廠制造，在深圳和菲律賓2個(gè)后端封測廠進(jìn)行組裝和測試，最終的ToF傳感器模組集成了SPAD探測器、VCSEL以及確保器件卓越性能的必要光學(xué)元件。目前ToF傳感器仍是以手機(jī)相機(jī)的自動對焦輔助為應(yīng)用為主，但張程怡認(rèn)為未來以接近檢測傳感器、人體存在檢測，激光自動對焦為代表的三大類應(yīng)用對ToF技術(shù)的需求也極為旺盛：

一是應(yīng)用于對焦。照相是一種對焦，因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確得到距離;投影儀是一種對焦，因?yàn)榭梢詫χ鴫Ρ趤硗队?，因此ToF通常用于比較高端的照相或投影系統(tǒng)。

二是人的檢測?，F(xiàn)在的智能系統(tǒng)，比如高鐵站/機(jī)場的閘機(jī)還不夠完善，還需要人工操作。如果ToF得到持續(xù)普及，那么人在一米遠(yuǎn)處系統(tǒng)就會自行啟動，不管是刷臉、刷指紋，都會非常流暢。

三是物體的檢測。較簡單的是掃地機(jī)器人避障，此外在筆記本電腦、兒童平板電腦、自動水龍頭、家用無人機(jī)、寵物等市場中的前景也同樣被看好。

張程怡介紹，“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)測距器件，擴(kuò)展到多區(qū)域測距器件，并且添加了高分辨率3D深度傳感器，使用先進(jìn)的接近檢測傳感器、人體存在檢測和激光自動對焦實(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)。”