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？

意法半导体大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡

2 爆发式增长的原因

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电子产品世界记者，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，随着ST新一代产品的即将问世，相信未来会带来ToF更大的增长。

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高性能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。

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。

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：⑤高分辨率，能够做到更细致。⑥多合一、低功耗，ST也有系列产品是与环境光感测一起的。⑦3D-BSI（背照式），这属于3D堆叠技术。

对应ToF的是一系列应用，有传统的单点、4点、6点的应用。到了3D感测，可以做到深度的感测。   

3 新一代ToF产品——L5

2020年初，在酝酿2年后，ST将祭出新一代产品——VL53L5。ToF经过了前3代发展，第4代L5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达到了61°。61°有2个好处：①涵盖范围更大。FOV很窄时，诸如1°、2°也有特别的工业应用，例如激光雷达角度非常小，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角度非常大，讲究大范围工作。所以在应用上，就像不同人穿的衣服有大有小一样。VL53L5 的 FOV达到了61°，可用角度涵盖范围较前面几代产品更大，特别适合对应稍大型的产品，如大家电、大银幕等。例如人站在大银幕面前，由于L5有更广的覆盖角度，即使人站在边缘也容易倍捕获到。②角度可编程，即在FOV有效角度范围内，选择用户所需的角度。

实际上，视场角从27°到61°，L5做了很多创新。发和收的角度重叠才是有效的范围。因此，L5改进包含软件与硬件。硬件上发射端加了镜头，以提升更大的角度；收的方面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芯片的尺寸稍微大了一点。软件也非常重要，因为这时收到的信号更多，软件要有足够的能力去识别和处理。做软件花了3年时间。

那么，竞争对手也有61°视场角的类似产品吗？张程怡称L5是2020年的产品。目前市场上有类似角度，但是用2发1收，3发1收，3发2收，……像堆积木堆起来60°以上，但是单一芯片方案，据他所知ST也是领先的。L5的优势是体积较，而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，每个象限可以再有切割，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它的测距，这代表了初步的深度的变化。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，这就得出了人脸的雏形。这是最基本的多深度技术。多深度的关键必须是同时得到全部数据。

其主要用途是照相，用于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位照等之分，这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，可以选择焦距向它集中，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16个数字是不同的，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过去大家比较困扰，手势怎么识别，其实往3D的路上走，这件事情就会水到渠成的实现了。另悉，一家做智能音箱的公司，已经用到了这种手势识别方案来控制音量大小。

  3）相比红外对管的优势

ToF不仅尺寸小，是1级安规，而且还是数字输出。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。若用传统的红外对管，也同样必须要有1对发射器/接收器，不过算出回来光子的强度/数量，节省不了多少到钱，还很繁琐。

ST的ToF 芯片不仅容易应用，更大的卖点是抗温度变化，并且适合各类室内光源，抗目标物颜色的干扰（例如衣服深浅的影响，黑色衣服容易吸收光子，因此返回的较少，因此误认为信号弱/距离远，相反，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，它们是滤镜，可以保护里面的镜头和芯片。从外观看是金属色。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，还有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。   

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，主要有以下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可以设计比较高端一点的照相系统或投影系统。

    2）人的检测/人脸识别。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处系统就能启动，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，当有人走过来的时候机器会启动。

    3）物件的检验。例如扫地机器人的避障。

      在机器人应用方面，有多种有趣的应用。①机器人避障。②家庭无线机器人，例如空气清新机。 ③宠物市场，例如与猫狗互动的玩具——当猫狗靠近它时会退，往后退时会前进，成功互动几次后，玩具会撒一点饲料。

图：部分机器人的应用案例

在用户存在检测方面，主要是活体检测。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（诸如人和椅子），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的敏感度能够感受到律动。 刷脸机认证机，通常在使用者接近到80~100 cm左右系统，认证的人脸识别系统要开始启动。

5 未来产品动向：重点是3D和人脸识别

  1）应用驱动FOV产品的走向

   未来，大家是把角度继续做大，还是在其他方面发展？张程怡称，首先61°大角度，有产品发展的考量，还有客户去向的考量，但不是纯粹的61°变成62°、63°，……逐年这么做下去。现在更关键的是应用是什么？ST会有更多的资源意愿往3D上面做。分辨率的细致化是一个关键。但是还得回到原点，尺寸大小、安规，在这上面精准度跟分辨率的提高。

  3D的ToF是ST的重点，主要用于人脸检测。例如测量物件的长宽高是机器视觉，当然3D更广泛了，3D跟人脸识别的不同就是你必须有3D的能力。如果再加1层的软件能力，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，是特定的比例。

2）现在是人脸识别辅助，2年后有望真正的人脸识别

L5做了多区域，可用于人脸识别辅助。因为今天用L5单一芯片并不适合去做到人脸识别，人脸识别是分辨出你和我，我和你不同，这个芯片只可以分辨哪些是人脸，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1代产品。

L5和手机的人脸识别芯片是一个搭配的关系。终究这2个芯片最后会整合成更先进的应用，在未来一两年是整合过程，也有一些友商开始有产品了，大部分都是推出第一款。第一款本来是完善的过程。ST也是2年内可以乐观期待的参与者了，ST正考虑做一个更完善的单一方案出来。

具体地，过去2年人脸识别主要用结构光，双摄方案，3摄方案，4摄、5摄……方案，又出现ToF的替代方案，ToF的替代方案又不行，ToF又做成ToF角度的替代方案……。其实每种做法，从技术角度看都有其优势，都多一些时间后才能做得更完善。市面上还没有同时能把3个全整合在一起的手机：又是结构光，又3、5、8摄，又要有ToF的3D。

不过，整合到一个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，因为ST和友商已经在做这方面的研发。当然，如果往深了一点说，点数要非常地多，但是点数非常多的结果就代表体积大、功耗大，代表处理器不够用；芯片如果点数少，例如回到3年前的东西，就一个点，也是可以做这个应用，但这完全没有分辨你我的差别。

折中的方案到底应该是多少个点、多少个深度，才会是符合期待的？今天如果双摄搞个ToF帮忙找距离，如果是结构光再进来，尺寸搞得很大，刚才提到几个友厂是大块头的，有的是刚出来还没有量产的。不过这是好事，表示这块是百家争鸣的时代，很多芯片及行应用，都是在这几年内发展成熟的。3D在ToF基础上面做，张程仪经理还是很看好的，认为未来一两年应该可以期待有很大的不同。

图 ST在市场排名