10亿ToF模组出货量的背后，是一段鲜为人知的转型故事

shuszhao

从生物感知到虚拟现实，从人脸识别到3D建模，前置人脸识别+后置虚拟现实功能可能成为手机的下一个形态，ToF有望成为智能手机摄像头的下一个风口。作为ToF传感器模组全球第一大供应商，ST曾经的转型策略和未来的发展方向都引人关注。

飞行时间(ToF)与结构光(Structured Light)、双目视觉技术(Stereo Vision)一起，共同组成了当前3D摄像头的三条主流技术路线。根据咨询机构Yole Développement的预测，受益于消费电子市场可预见的爆发式增长，全球3D成像与传感的市场规模将从2016年的13亿美元增长至2022年的90亿美元，复合年均增长率(CAGR)达到38%。其中，用于消费电子的3D成像与传感市场将从2016年的2000万美元增长至2022年的60.58亿美元，复合年均增长率达到158%。

                               
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2011-2022年全球3D成像与传感市场收入预测

国盛证券的报告显示，从出货量上来看，智能手机3D感测需求将从2017年的4000万部增加至2019年的2亿部以上，其中2019年的ToF机型还主要集中在几款高端旗舰机，但从2020年开始，ToF手机的出货量将进一步爆发，在整体3D感应中占比有望达到40%。预计2019/2020年ToF手机的出货量为7760万，同比大幅增长747%。
成本方面，预计ToF和结构光的BOM成本大约为12-15美元和20美元，相比之下ToF更具有成本优势。以iPhone X为例，结构光技术的解决方案包括三个子模块(点投影仪、近红外摄像机和泛光照明器+接近传感器)，而ToF解决方案则将三个集成到一个模块中，芯片的成本大约占到整体BOM的28%-30%。

围绕先进成像传感器进行转型


ToF芯片领域玩家众多。根据IHS Markit的统计，尽管意法半导体(ST)在全球CMOS影像传感器与其它光电产品的市场份额中排名第五，但隶属其中的飞行时间(ToF)模块迄今为止已经在150多款智能手机中得到使用，累计出货10亿颗，评估套件销量超过35,000套，也使得ST成为ToF传感器全球第一大供应商。

                               
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ST首席执行官Jean-Marc Chery在2018年底参加由ASPENCORE举行的“全球CEO峰会”时，讲述了ST在2012-2016年之间如何围绕先进成像传感器业务进行转型的鲜为人知的故事。正是在2012-2013年间，Chery向时任CEO Carlo Bozotti建议，将公司的普通成像模块业务转向高级成像开发，大规模地将人员从机顶盒、数字电视和微控制器部门转移到成像部门，并维持了一个超过500人的成像部门，重点关注飞行时间、全局快门、卷帘快门和图像信号处理器等技术。
与苹果公司合作开发结构光技术是扭转被动局面的关键一役。虽然Chery没有将过去两年来ST的奇迹转型归功于自己，但他确实是ST新的成像策略的幕后指挥。包含ToF、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和模拟驱动器的红外泛光感应元件模块，帮助苹果公司在手机中通过“结构光”技术真正实现了能够进行人脸识别的3D感应，开创了生物识别应用的新领域。
Chery说在半导体领域，竞争者总能赶上，这只是钱的问题。因此在“结构光”方面，ST采用了完全定制的解决方案，致力于服务一个重要的客户，由一个专门的团队与客户密切合作开发，以便ST能够设计出强大的开发规划图来预测客户的需求，并形成竞争进入壁垒。
当然，在意识到整个团队投入全部资源专门为一个非常强势的客户开发技术的潜在风险后，ST还同时进行了基于单光子雪崩二极管(SPAD)和光电二极管ToF传感器的成像产品开发，并起名叫做FlightSense。其基本工作原理是ToF测距芯片发出940nm完全不可见近红外光，遇到物体后反射，FlightSense传感器根据光子往返飞行时间来直接测算物体与传感器的距离。优势在于测量精度不轻易受被测物体表面特性的影响，测距时间非常快，仅需几毫秒，并易于集成为一个符合安规，保障人体安全的激光传感器。

                               
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对于ToF传感器的使用，ST首先采用标准产品为智能手机、AR/VR等高级应用开发距离传感器。但在他们的计划中，准备布局的领域其实还有很多，包括测距、接近检测、人数统计、门禁、农业无人机等，甚至还打算推出类似激光雷达的衍生产品以服务汽车市场。核心目标是使用这两种ToF技术(基于SPAD和光电二极管)来服务更大的Android市场，与ams、索尼、英飞凌形成竞争。

                               
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从“略显小众”到“一飞冲天”


很多人认为iPhone 7是ToF测距传感器首度现身智能手机市场的标志，但其实这是一个误解。该技术最先在Blackberry Passport智能手机中得到采用，它当时使用了ST三合一智能光学模块VL6180X，整合了接近传感器、环境光传感器以及VCSEL光源。很快，在随后推出的几款LG手机中也发现了这款组件。
2017年1月，ST推出其第二代ToF传感器——VL53L0X，一经推出，就有6家来自亚太地区的手机制造商宣布采用这款传感器芯片。相较于VL6180，VL53L0省去了环境光传感器，而其SPAD模组也加以了改善。而在iphone 7，包括后来的iPhone X中，ST将VCSEL接合在ToF芯片顶端，进一步实现了更精巧的模块。

                               
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5年来，ST已经陆续推出了VL6180X、VL53L0X、VL53L1、VL53L3、VL53L5四代FlightSense产品。其中VL53L5是ST第四代产品，将于明年正式推出。FlightSense路线图也从高性能一维测距器件扩展到了多区域解决方案，并且最近还增加了高分辨率3D深度感知能力，以实现采用先进接近感应、人体存在检测和激光自动对焦的创新应用。

                               
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ST FlightSense产品组合

先进的像素技术和硅制造工艺，先进的光学封装/模块与影像系统的设计经验，则被ST大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡视作ST差异化智能传感和光源解决方案的源头活水。

                               
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ST大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡

早在2014年和2015年，ST就已经开发了非常广泛的技术路线图和产品组合，例如在FD-SOI上开发的纯CMOS技术、模拟和混合信号技术BiCMOS、基于CMOS的图像传感器技术、嵌入式闪存技术、以及RF CMOS技术。另一方面，ST还开发了BiCMOS、DMOS、BiPolar-CMOS-DMOS技术、硅上电源技术、碳化硅(SiC)/氮化镓(GaN)技术。正是这些令人眼花缭乱的技术组合，为SPAD等技术的推出提供了可能。
即将于2020年实现量产的VL53L5尺寸为6.4 x 3.0 x 1.5mm，采用40nm SPAD工艺制造，“角度大”和“可切割”是其最主要的两大特点。与普通ToF产品25-27度的视场角(FOV)不同，VL53L5的FOV最大能够达到61度，由此带来的好处一是覆盖范围更广，更适合大家电、大屏幕产品使用；二是客户可根据自己的需求，通过算法缩小、中间变化等方式对FOV角度进行编程，弹性更大。
VL53L5具有多区域(Multi-Zone,MZ)的特点，可以被初步切割为四个象限区块，每个象限还可以根据需要进行再切割，达到16个区域或更多，每个区域都能独立输出测距值，从而代表了初步的深度变化。以人脸为例，由于脸是有深浅差别的，所以如果在人脸图像上进行切割，将会看到鼻头距离最短、耳朵距离最远、额头距离中间，以此得到脸的3D雏形。
当然，为了实现上述两大特点，L5系列在硬件上发射端增加了镜头，接收端的凸透镜也做了放大，使得芯片尺寸较比前代有所增加。
目前，ST ToF传感器模组主要采用SPAD传感技术，在位于法国Crolles的300mm前端晶圆厂制造，在深圳和菲律宾2个后端封测厂进行组装和测试，最终的ToF传感器模组集成了SPAD探测器、VCSEL以及确保器件卓越性能的必要光学元件。
目前ToF传感器仍是以手机相机的自动对焦辅助为应用为主，但张程怡认为未来以接近检测传感器、人体存在检测，激光自动对焦为代表的三大类应用对ToF技术的需求也极为旺盛：
一是应用于对焦。照相是一种对焦，因为可以准确得到距离；投影仪是一种对焦，因为可以对着墙壁来投影，因此ToF通常用于比较高端的照相或投影系统。
二是人的检测。现在的智能系统，比如高铁站/机场的闸机还不够完善，还需要人工操作。如果ToF得到持续普及，那么人在一米远处系统就会自行启动，不管是刷脸、刷指纹，都会非常流畅。
三是物体的检测。最简单的是扫地机器人避障，此外在笔记本电脑、儿童平板电脑、自动水龙头、家用无人机、宠物等市场中的前景也同样被看好。

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