212
一种新技术的引爆往往从手机市场开始，2017 年苹果推出全球首款搭载 3D 结构光技术的智能手机 iPhone X，让 3D 人脸识别 Face ID 取代了 Touch ID 指纹识别，3D 传感器市场被彻底引爆。市场上有三种 3D 成像技术，分别是双目立体成像、结构光和飞行时间（ToF）。通过这些技术生成的 3D 数据可实现人脸识别、手部运动检测、行人探测，以及提供 SLAM（即时定位与地图构建）功能。
从技术上对比，双目成像技术具有分辨率高、精度高、抗强光干扰性强、成本低等优势，但是算法非常复杂、容易受到环境因素干扰、依赖环境光源、暗光场景表现不佳，因此目前在手机上应用相对较少。再看 3D 结构光，受到苹果的带动，技术已经成熟，通过一次成像可以得到深度信息，能耗低、成像分辨率高，已经广泛应用于 3D 人脸识别中，但是识别距离相对较短（大约 0.2m-1.2m），模组结构比较复杂，成像容易受强光干扰，成本相对较高。
相对而言，飞行时间（ToF）的 3D 成像精度和深度图分辨率相比结构光要低一些，功耗较高，但是其识别距离更远（可以达到 0.4m 到 5m），抗干扰性强，不仅可以应用于 3D 建模等应用，还适用于环境重构、手势识别、体感游戏、AR/VR 等领域。因此，近几年 ToF 成像技术越来越受到关注。
ToF 市场炙手可热，多家芯片厂商入局
根据 TrendForce 预估，手机 3D 感测应用之 Vcsel 产值，2019 年市场产值达 11.39 亿美元，增长 26%；第三方权威市调机构 Yole 的预测，全球 3D 成像和传感器的市场规模 2022 年将超过 90 亿美元。其中，消费电子市场到 2022 年市场规模将超过 60 亿美元。
未来市场可期，必然引来多家厂商分割蛋糕，芯片厂商 ST、艾迈斯、ADI、英飞凌纷纷入局。“ST 是最早开发飞行时间技术的厂商之一，我们的 ToF 产品隶属于 MEMS 和专用图像传感器事业部部门。从 IHS-Markit 统计来看，2018 年，ST 的 CMOS 图像传感器和光电产品全球排名第五，营收达到 9.03 亿美元。” 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表示，“很多手机厂商都已经采用 ToF 传感器，ST 的 ToF 模块被 150 多款智能手机采用，目前出货量达到 10 亿颗。”
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
张程怡向与非网记者介绍，“ST 的 FlightSense 飞行时间产品开发路线图从高性能一维单点测距器件，扩展到多区域测距器件，并且最近添加了高分辨率 3D 深度传感器，使用先进的接近检测传感器、人体存在检测和激光自动对焦实现创新的应用。到目前为止，我们已经推出四款 ToF 产品，分别是 Ewok（VL53L0）、EwokEvo（VL53L3）、EwokEvo Plus（VL53L1）和 EwokMZ（VL53L5），其中前三款已经量产，第四款预计在 2020 年量产。”
除了 ST， ADI 也推出 3D ToF 技术方案，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 红外光 ToF 传感器，分辨率可达 640x480；艾迈斯半导体今年也推出了 ToF 集成式模块 TMF8801，主打小体积，比竞争对手减小超过 30%，测量范围达到 2cm 至 2.5m 。尤其是在日光下的可用性，一般当玻璃出现脏污时，ToF 传感器难以准确测量距离，而 TMF8801 可以利用片上直方图处理功能，保持高精度测量。
在FOV上实现突破
ST 新一代的 ToF 传感器 VL53L5 有两个重要优势，一是视场角（FOV）从原来的 27 度增大到 61 度。FOV 达到 60 度有两个优势，一是涵盖范围更大，适用于稍大型产品，如：大家电，大银幕等；二是 FOV 可编程， 用户可以根据实际需要设定 FOV，灵活性更高。关于未来视场角是否会出现瓶颈，张程怡认为，未来角度不是最大的瓶颈，最大的瓶颈是如何在这样的角度之下做到更好的应用，将分辨率、精准度细致化是一个关键点。
能够将 FOV 提高到 61 度，是因为在硬件上的发射端加了镜头。光都是有散漫性的角度，加上镜头以后镜头可以很大，也可以很小。另外，接收的凸透镜，也做了放大，两个都放大之后范围就更大了，这也是建立在软件的基础上，我们在软硬件上同时并进，扩大了视场角。
VL53L5 的另一个优势是可切割，这是革命性的突破，从 VL53L5 的代号 EwokMZ 可以看出，MZ 代表锥形，里面可以切割。切割后分成四个象限，每个象限可以再切割，达到 4x4=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测距，这能够代表深度的变化，由于深度的不同可以形成 3D 建模块，因此，基于这 16 个区域的数字，可以进行手势识别。
demo 展示
在演示中可以看出，这台笔记本采用了 VL53L5，图像被切割成 64 块，可以实现手势识别。目前，在某些手机上已经可以实现手势控制翻屏、返回等控制动作，只是确定是否采用 ToF 技术完成。
ToF 的高精度得益于 ST 的 40nm SPAD 技术，SPAD 是半导体技术中一个较特殊的光学制程，它的像素能接受的光亮是目前可行性技术上最大的，也就是比 CMOS 的 sensor 更强大的光接收能力。而且针对 ToF 的是典型光学封装，ST 可以做专门的光学封装。张程怡还强调，“我们规划每一代产品时都考虑了其针对性，前几代产品不会因为新产品的推出而退出市场，每一代都有不同的测量距离、不同角度，可以满足不同的需要，因此几代产品同时在市场上被用户采用。”
ToF在各种应用场景“开疆拓土”
既然 ToF 技术有这么多优势，用户最关心的一定是 ToF 可以应用在哪里？对焦、人体检测、物品检验是最重要的应用。
距离检测：这是 ToF 的人体检测。几乎所有小朋友对平板电脑都很着迷，但是离得很近一定会造成视力下降，安装 ToF 传感器可以测距，监督小朋友和平板电脑保持一定距离。
投影：利用 ToF 产品的自动对焦功能，用户在使用投影仪的时候再也不用手动调试，而是自动可以实现对焦，从现场的展示来看效果非常不错。
物体检测：最常见的应用就是避障，已经在扫地机器人、陪伴机器人中开始应用。TOF 能做人脸识别吗？这是一个值得讨论的问题。张程怡认为，通过 16 个数字的变化已经可以识别手势。目前看 16 个点有些少，未来在 3D 的路上人脸识别会水到渠成。
从当前的技术性能对比来看，ToF 和 3D 结构光各具优势，同时也各有不足。随着未来用量的增加和成本的降低，ToF 的市场规模会快速扩大，除了手机，在其它检测应用中越来越广泛被采用。
