3D成像市場(chǎng)持續(xù)火爆，ToF傳感器向更多應(yīng)用場(chǎng)景蔓延

一種新技術(shù)的引爆往往從手機(jī)市場(chǎng)開(kāi)始，2017 年蘋(píng)果推出全球首款搭載 3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)的智能手機(jī) iPhone X，讓 3D 人臉識(shí)別 Face ID 取代了 Touch ID 指紋識(shí)別，3D 傳感器市場(chǎng)被徹底引爆。市場(chǎng)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(guò)這些技術(shù)生成的 3D 數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、手部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、行人探測(cè)，以及提供 SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）功能。

從技術(shù)上對(duì)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(shì)，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(chǎng)景表現(xiàn)不佳，因此目前在手機(jī)上應(yīng)用相對(duì)較少。再看 3D 結(jié)構(gòu)光，受到蘋(píng)果的帶動(dòng)，技術(shù)已經(jīng)成熟，通過(guò)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(shí)別中，但是識(shí)別距離相對(duì)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(duì)較高。

相對(duì)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(shí)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(shì)識(shí)別、體感游戲、AR/VR 等領(lǐng)域。因此，近幾年 ToF 成像技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。

ToF 市場(chǎng)炙手可熱，多家芯片廠商入局

根據(jù) TrendForce 預(yù)估，手機(jī) 3D 感測(cè)應(yīng)用之 Vcsel 產(chǎn)值，2019 年市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá) 11.39 億美元，增長(zhǎng) 26%；第三方權(quán)威市調(diào)機(jī)構(gòu) Yole 的預(yù)測(cè)，全球 3D 成像和傳感器的市場(chǎng)規(guī)模 2022 年將超過(guò) 90 億美元。其中，消費(fèi)電子市場(chǎng)到 2022 年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 60 億美元。

未來(lái)市場(chǎng)可期，必然引來(lái)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(kāi)發(fā)飛行時(shí)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(mén)。從 IHS-Markit 統(tǒng)計(jì)來(lái)看，2018 年，ST 的 CMOS 圖像傳感器和光電產(chǎn)品全球排名第五，營(yíng)收達(dá)到 9.03 億美元?！?意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡表示，“很多手機(jī)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(jī)采用，目前出貨量達(dá)到 10 億顆?！?/p>

意法半導(dǎo)體大中華暨南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡

張程怡向與非網(wǎng)記者介紹，“ST 的 FlightSense 飛行時(shí)間產(chǎn)品開(kāi)發(fā)路線圖從高性能一維單點(diǎn)測(cè)距器件，擴(kuò)展到多區(qū)域測(cè)距器件，并且最近添加了高分辨率 3D 深度傳感器，使用先進(jìn)的接近檢測(cè)傳感器、人體存在檢測(cè)和激光自動(dòng)對(duì)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）、EwokEvo Plus（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)?！?/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(dá) 640x480；艾邁斯半導(dǎo)體今年也推出了 ToF 集成式模塊 TMF8801，主打小體積，比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手減小超過(guò) 30%，測(cè)量范圍達(dá)到 2cm 至 2.5m 。尤其是在日光下的可用性，一般當(dāng)玻璃出現(xiàn)臟污時(shí)，ToF 傳感器難以準(zhǔn)確測(cè)量距離，而 TMF8801 可以利用片上直方圖處理功能，保持高精度測(cè)量。

在FOV上實(shí)現(xiàn)突破

ST 新一代的 ToF 傳感器 VL53L5 有兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，一是視場(chǎng)角（FOV）從原來(lái)的 27 度增大到 61 度。FOV 達(dá)到 60 度有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，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(shí)際需要設(shè)定 FOV，靈活性更高。關(guān)于未來(lái)視場(chǎng)角是否會(huì)出現(xiàn)瓶頸，張程怡認(rèn)為，未來(lái)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(yīng)用，將分辨率、精準(zhǔn)度細(xì)致化是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

能夠?qū)?FOV 提高到 61 度，是因?yàn)樵?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%A1%AC%E4%BB%B6/">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(gè)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?cè)谲浻布贤瑫r(shí)并進(jìn)，擴(kuò)大了視場(chǎng)角。

VL53L5 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可切割，這是革命性的突破，從 VL53L5 的代號(hào) EwokMZ 可以看出，MZ 代表錐形，里面可以切割。切割后分成四個(gè)象限，每個(gè)象限可以再切割，達(dá)到 4x4=16 個(gè)區(qū)域或更多。以 16 個(gè)有效區(qū)域?yàn)槔?，每個(gè)區(qū)域都能獨(dú)立輸出測(cè)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(gè)區(qū)域的數(shù)字，可以進(jìn)行手勢(shì)識(shí)別。

demo 展示

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在演示中可以看出，這臺(tái)筆記本采用了 VL53L5，圖像被切割成 64 塊，可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別。目前，在某些手機(jī)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制翻屏、返回等控制動(dòng)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(dǎo)體技術(shù)中一個(gè)較特殊的光學(xué)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(qiáng)大的光接收能力。而且針對(duì) ToF 的是典型光學(xué)封裝，ST 可以做專門(mén)的光學(xué)封裝。張程怡還強(qiáng)調(diào)，“我們規(guī)劃每一代產(chǎn)品時(shí)都考慮了其針對(duì)性，前幾代產(chǎn)品不會(huì)因?yàn)樾庐a(chǎn)品的推出而退出市場(chǎng)，每一代都有不同的測(cè)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(shí)在市場(chǎng)上被用戶采用。”

ToF在各種應(yīng)用場(chǎng)景“開(kāi)疆拓土”

既然 ToF 技術(shù)有這么多優(yōu)勢(shì)，用戶最關(guān)心的一定是 ToF 可以應(yīng)用在哪里？對(duì)焦、人體檢測(cè)、物品檢驗(yàn)是最重要的應(yīng)用。

距離檢測(cè)：這是 ToF 的人體檢測(cè)。幾乎所有小朋友對(duì)平板電腦都很著迷，但是離得很近一定會(huì)造成視力下降，安裝 ToF 傳感器可以測(cè)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(dòng)對(duì)焦功能，用戶在使用投影儀的時(shí)候再也不用手動(dòng)調(diào)試，而是自動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦，從現(xiàn)場(chǎng)的展示來(lái)看效果非常不錯(cuò)。

物體檢測(cè)：最常見(jiàn)的應(yīng)用就是避障，已經(jīng)在掃地機(jī)器人、陪伴機(jī)器人中開(kāi)始應(yīng)用。TOF 能做人臉識(shí)別嗎？這是一個(gè)值得討論的問(wèn)題。張程怡認(rèn)為，通過(guò) 16 個(gè)數(shù)字的變化已經(jīng)可以識(shí)別手勢(shì)。目前看 16 個(gè)點(diǎn)有些少，未來(lái)在 3D 的路上人臉識(shí)別會(huì)水到渠成。

從當(dāng)前的技術(shù)性能對(duì)比來(lái)看，ToF 和 3D 結(jié)構(gòu)光各具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也各有不足。隨著未來(lái)用量的增加和成本的降低，ToF 的市場(chǎng)規(guī)模會(huì)快速擴(kuò)大，除了手機(jī)，在其它檢測(cè)應(yīng)用中越來(lái)越廣泛被采用。