2017年蘋果推出全球一款搭載3D結構光技術的智能手機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，分別是雙目立體成像、結構光和飛行時間(ToF)。通過這些技術生成的3D數據可實現(xiàn)人臉識別、手部運動檢測、行人探測，以及提供SLAM(即時定位與地圖構建)功能。

從技術上對比，雙目成像技術具有分辨率高、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結構光，受到蘋果的帶動，技術已經成熟，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)，模組結構比較復雜，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構光要低一些，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、手勢識別、體感游戲、AR/VR等領域。因此，近幾年ToF成像技術越來越受到關注。

從生物感知到虛擬現(xiàn)實，從人臉識別到3D建模，前置人臉識別+后置虛擬現(xiàn)實功能可能成為手機的下一個形態(tài)，ToF有望成為智能手機攝像頭的下一個風口。作為ToF傳感器模組全球前三大供應商，ST曾經的轉型策略和未來的發(fā)展方向都引人關注。飛行時間(ToF)與結構光(StructuredLight)、雙目視覺技術(StereoVision)一起，共同組成了當前3D攝像頭的三條主流技術路線。根據咨詢機構YoleDéveloppement的預測，受益于消費電子市場可預見的爆發(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，復合年均增長率(CAGR)達到38%。其中，用于消費電子的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，復合年均增長率達到158%。

國盛證券的報告顯示，從出貨量上來看，智能手機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機型還主要集中在幾款高端旗艦機，但從2020年開始，ToF手機的出貨量將進一步爆發(fā)，在整體3D感應中占比有望達到40%。預計2019/2020年ToF手機的出貨量為7760萬，同比大幅增長747%。

成本方面，預計ToF和結構光的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，結構光技術的解決方案包括三個子模塊(點投影儀、近紅外攝像機和泛光照明器+接近傳感器)，而ToF解決方案則將三個集成到一個模塊中，芯片的成本大約占到整體BOM的28%-30%。

圍繞先進成像傳感器進行轉型

ToF芯片領域玩家眾多。根據IHSMarkit的統(tǒng)計，盡管意法半導體(ST)在全球CMOS影像傳感器與其它光電產品的市場份額中排名第五，但隸屬其中的飛行時間(ToF)模塊迄今為止已經在150多款智能手機中得到使用，累計出貨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，講述了ST在2012-2016年之間如何圍繞先進成像傳感器業(yè)務進行轉型的鮮為人知的故事。正是在2012-2013年間，Chery向時任CEOCarloBozotti建議，將公司的普通成像模塊業(yè)務轉向高級成像開發(fā)，大規(guī)模地將人員從機頂盒、數字電視和微控制器部門轉移到成像部門，并維持了一個超過500人的成像部門，重點關注飛行時間、全局快門、卷簾快門和圖像信號處理器等技術。

與蘋果公司合作開發(fā)結構光技術是扭轉被動局面的關鍵一役。雖然Chery沒有將過去兩年來ST的奇跡轉型歸功于自己，但他確實是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)和模擬驅動器的紅外泛光感應元件模塊，幫助蘋果公司在手機中通過“結構光”技術真正實現(xiàn)了能夠進行人臉識別的3D感應，開創(chuàng)了生物識別應用的新領域。

Chery說在半導體領域，競爭者總能趕上，這只是錢的問題。因此在“結構光”方面，ST采用了完全定制的解決方案，致力于服務一個重要的客戶，由一個專門的團隊與客戶密切合作開發(fā)，以便ST能夠設計出強大的開發(fā)規(guī)劃圖來預測客戶的需求，并形成競爭進入壁壘。

當然，在意識到整個團隊投入全部資源專門為一個非常強勢的客戶開發(fā)技術的潛在風險后，ST還同時進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傳感器根據光子往返飛行時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，測距時間非?？?，僅需幾毫秒，并易于集成為一個符合安規(guī)，保障人體安全的激光傳感器。

對于ToF傳感器的使用，ST首先采用標準產品為智能手機、AR/VR等高級應用開發(fā)距離傳感器。但在他們的計劃中，準備布局的領域其實還有很多，包括測距、接近檢測、人數統(tǒng)計、門禁、農業(yè)無人機等，甚至還打算推出類似激光雷達的衍生產品以服務汽車市場。核心目標是使用這兩種ToF技術(基于SPAD和光電二極管)來服務更大的Android市場，與ams、索尼、英飛凌形成競爭。

從“略顯小眾”到“一飛沖天”

很多人認為iPhone7是ToF測距傳感器首度現(xiàn)身智能手機市場的標志，但其實這是一個誤解。該技術在BlackberryPassport智能手機中得到采用，它當時使用了ST三合一智能光學模塊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，一經推出，就有6家來自亞太地區(qū)的手機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，進一步實現(xiàn)了更精巧的模塊。

5年來，ST已經陸續(xù)推出了VL6180X、VL53L0X、VL53L1、VL53L3、VL53L5四代FlightSense產品。其中VL53L5是ST第四代產品，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，以實現(xiàn)采用先進接近感應、人體存在檢測和激光自動對焦的創(chuàng)新應用。

STFlightSense產品組合

先進的像素技術和硅制造工藝，先進的光學封裝/模塊與影像系統(tǒng)的設計經驗，則被ST大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術市場經理張程怡視作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)部技術市場經理張程怡

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

即將于2020年實現(xiàn)量產的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。與普通ToF產品25-27度的視場角(FOV)不同，VL53L5的FOV較大能夠達到61度，由此帶來的好處一是覆蓋范圍更廣，更適合大家電、大屏幕產品使用;二是客戶可根據自己的需求，通過算法縮小、中間變化等方式對FOV角度進行編程，彈性更大。

VL53L5具有多區(qū)域(Multi-Zone,MZ)的特點，可以被初步切割為四個象限區(qū)塊，每個象限還可以根據需要進行再切割，達到16個區(qū)域或更多，每個區(qū)域都能獨立輸出測距值，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行切割，將會看到鼻頭距離較短、耳朵距離較遠、額頭距離中間，以此得到臉的3D雛形。當然，為了實現(xiàn)上述兩大特點，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，在位于法國Crolles的300mm前端晶圓廠制造，在深圳和菲律賓2個后端封測廠進行組裝和測試，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元件。目前ToF傳感器仍是以手機相機的自動對焦輔助為應用為主，但張程怡認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用對ToF技術的需求也極為旺盛：

一是應用于對焦。照相是一種對焦，因為可以準確得到距離;投影儀是一種對焦，因為可以對著墻壁來投影，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/機場的閘機還不夠完善，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、寵物等市場中的前景也同樣被看好。

張程怡介紹，“ST的FlightSense飛行時間產品開發(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，我們已經推出四款ToF產品，分別是Ewok(VL53L0)、EwokEvo(VL53L3)、EwokEvoPlus(VL53L1)和EwokMZ(VL53L5)，其中前三款已經量產，第四款預計在2020年量產。”