意法半导体ToF模块出货量突破10亿背后的故事
本刊记者 单祥茹
飞行时间（ToF）是一种光速测距的方法，能够实现高精度距离测量和3D测绘与成像，它通过计算传感器发出经调制的近红外光线发射和反射的时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，1厘米往返只用67皮秒。意法半导体（ST）是最早开发飞行时间（ToF）技术的厂商之一，目前，这些产品被150多款智能手机采用，出货量更是突破10亿大关。短短的5年时间，ST是如何快速完成科研成果转化，并将其变成完全可量产、市场领先的系列产品的呢？11月中旬，在ST北京办公室，ST大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡先生、ST影像业务部应用及技术经理李咏先生共同为我们讲述了ST在ToF市场上一步一个脚印，直至走向成功的故事。
春暖花开的日子里，我带学生去观赏校园，每看到一处有特色的景物，学生都会围上去，看一看，摸一摸，闻一闻，然后七嘴八舌地议论不休，而我则适时地问一问，引导学生观察。一圈逛下来，学生对校园里的景物有了大致的印象。回到教室，我让学生选择自己最喜欢的最有特色的景物作为写作对象，他们的脑海里就有了选择的依据。在明确写作对象后，作文的题目也做了相应的修改，不再是固定模式的《我的校园》《春天的校园》等，而是变成了《神奇的变色树》《五针松》《美丽的玉兰花》等。
早有布局：ST影像业务的过去、现在和未来
图1 ToF的工作原理以及具有的独特技术优势
对ST而言，影像光学业务绝对不是一项全新的业务，公司一直设有专门的影像事业部。该部门掌握着一系列先进的影像光学技术以及制造和封装工艺，产品包括CMOS影像传感器与其它光电产品，这里的其他光电产品指的就是ToF，ToF在ST又被称作FlightSense。张程怡先生表示，在原理上ToF技术并不难理解，但要做出稳定优异的产品绝非易事。ToF技术落地有特定的门槛，ST凭借多年积累的影像光学技术和独有的光学封装技术，是第一个将ToF小型化的公司。
做好路面排水及养护工作，也是道路路面施工质量能够得以保障的重要措施，此期间应对公路路面存在破损、缺陷现象，进行第一时间处理；针对路面排水在道路铺设面层前先开展防水施工，配合天气信息防止降雨引发渗透现象，道路面层彻底铺设完成后对道路两边进行反复碾压，继而达到有效规避路面漏水的问题，使道路路面施工质量完全满足公路工程标准要求。
ST FlightSense ToF传感器采用的是其单光子雪崩二极管（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，封装测试在意法半导体先进的内部后工序制造厂完成。
本文使用非线性振动声调制技术对含冲击损伤复合材料层板进行检测，对激励信号的合理选取进行了相应研究，主要结论如下：
图2 ST在CMOS影像传感器与其它光电产品上的业界排名及销售额
光镜可见青年对照组中大鼠心肌纤维排列整齐紧凑，结构清晰，心肌细胞形态形态、胞质及间质均正常；与青年对照组相比，自然衰老模型组中大鼠心肌细胞排列紊乱，细胞间隙增大，心肌细胞变性增多，间质纤维增生，肌纤维断裂。与 24月龄相比，TSPJ低、高剂量组大鼠心肌纤维形态得到明显改善，纤维排列整齐，心肌细胞炎性浸润减轻，间质纤维增生减少。结果如图1所示。
产品组合完整，高集成3D传感是重点
ST FlightSense ToF传感器具有低功耗、小尺寸等特点，可抗温度变化以及各类室内光源和目标物颜色干扰，高精度是其最大卖点。据李咏先生介绍，ST FlightSense ToF传感器之所以有这么好的精度和广泛的应用，与其采用了40nm SPAD阵列有很大关系。SPAD是ToF的感光像素部分，它接受的光亮是目前可行性技术上最大的，比CMOS传感器拥有更强大的光接收能力。ST在SPAD的光学制程上有很多专利。
ToF采用的是940nm不可见红外光光源，除了大家较熟悉测距应用，在手势识别、深度图、手机照相功能上也有广泛应用。据张程怡先生介绍，截至11月份，累计150余款手机采用了ST的ToF方案。在这里，ST的ToF传感器主要用做主摄像头，而不是做接近传感。“ST是ToF的先驱和先锋，不管您有没有意识到，ST已经掌握了激光对焦市场。”张程怡先生肯定地说。
长期的技术沉淀使得ST的影像传感业务逐年走高，根据IHS-Markit发布的市场统计数据，2018年，ST的影像产品出货量位居行业第五（图2）。今年11月份，ToF模块出货量更是突破10亿大关，成为全球第一大飞行时间传感器供应商。据张程怡先生透露，ST明年将会侧重影像传感器（image sensor）和ToF的产品开发，并有新产品面世。
由于城市化，特别是城市发展的郊区化，大城市近郊区的现状耕地已经不多，而且零散分布于居民点和独立工厂之间。要根据城市空间发展布局，将规划建设区之间的耕地作为基本农田保护下来，以斑块农田安插在城市发展的各个方向，有效控制城市“摊大饼”式的蔓延。
尽管有着61°的FoV，然而VL53L5的尺寸却很小，为6.4x3.0x1.5mm，那是因为它符合一级安规，还能够数字输出，可直接给出5厘米、50厘米绝对数值，客户的应用将变得很容易。从外形看，VL53L5表面有两个金属色亮片（滤镜），可以保护下面的镜头和芯片。
在实现10亿出货后，ST第四代ToF产品VL53L5已经就绪，单芯片61°视场ToF明年将实现量产，产品主要面向消费、工业应用，以更宽广的角度覆盖更大的检测范围。VL53L5有三个突出特点，即角度大、可切割、小尺寸。
ST此前的三代ToF产品VL53L0、VL53L1、VL53L3，其视场角（FoV）通常控制在25-27°左右，这个数值结合了发射功率、接收能力和算法能承受的有效范围等因素统筹而来。在此过程中，既要考虑可用角度，还要保证产品的高准确度，光照强度不能超越安规。第四代VL53L5产品在软硬件上有了很大进步，其FoV达到61°，这样就会带来两个好处：一是涵盖范围更大，特别适合较大型的产品，如大家电、大银幕等。张程怡先生举了一个例子，譬如一个人站在大屏幕电视前，用FoV为25°的ToF传感器来判断使用者站立的位置时，如果人的站位偏左或偏右边，因FoV覆盖范围不够就无法找到这个人。如果使用FoV为61°的ToF，这个人就很容易被检视到。二是大角度FoV做到了可编程。现在，61°的FoV是产品的最大值，若暂时用不上这么大的角度，客户可以将其编程到需要的角度。在FoV有效角度上，VL53L5透过算法缩小、中间变化给予了用户更多的弹性。
图3 ST公司FlightSense产品组合
既然VL53L5的FoV已经做到难得的61°，未来的ToF是否将会沿着这个方向一直竞争下去呢？张程怡先生表示这种现象应该不会出现，首先61°FoV有产品发展的考量，更有客户需求的因素，ToF发展的着眼点应该聚焦在应用上。低功耗、小尺寸、安规、高精度，这些才是ToF未来的竞争焦点。
5年来，ST累计推出四代ToF产品，但是ST并没有因为推出了新一代产品而把上一代产品淘汰。现在，ST各世代ToF在不同应用领域都在使用。张程怡先生表示，之所以这样做是因为每一代产品均对应不同的距离、不同的角度，满足了不同的应用需求。
可切割称得上是第四代产品VL53L5做出的革命性改变。切割后可分成四个区块，即四个象限，每个象限可以再切割，达到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变化。张程怡先生举例说，假如用ToF传感器识别人脸，在脸上切割的效果是：鼻头距离最短、耳朵距离最远、额头距离中间，到达脸部边缘时，因脸部胖瘦的变化，输出的数字就会不稳定。采用多区块（multi-zone）切割，ToF输出的数值越多，做出的判断就会越准确。届时，稳定的手势识别、3D传感等功能的实现也是水到渠成的事。
现在，ST影像事业部不仅拥有先进的像素技术和硅制造工艺，以及在光学封装/模块与影像系统上的专长，在ToF和专用影像传感器产品上也形成了一系列差异化解决方案，包括用于测距的接近传感、用于手势识别的深度图、全局快门与卷帘快门、高动态范围（HDR）与防闪烁成像等。
在继续投资ToF技术的过程中，张程怡先生说：“ST的FlightSense ToF产品开发路线图已从高性能一维单点测距器件，扩展到多区域测距器件，最近添加的高分辨率3D深度传感器，让更多的用户可以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应用。”
在生态系统与工具方面，ST的FlightSense和STM32软硬套件做了充分整合，可提供推荐的盖片样片和参考设计。
拓宽市场，专注三大应用
ST高性能FlightSense ToF传感器为客户的产品带来明显的性能优势，目前主要聚焦在三大应用领域：一是对焦。二是人的检测。三是物件的检验。通过优化模块的尺寸、功耗和测距功能，并提供更远的测量距离，FlightSense ToF传感器可以实现各种用例，例如，可以控制笔记本电脑、显示器或其他设备的唤醒和睡眠模式的用户存在检测；用户接近检测；智能手机相机混合对焦算法中的激光自动对焦（LAF）。
以相机子系统为例，相机子系统是智能手机保持差异化的主要因素。LAF功能可在恶劣拍照条件下改善相机的对焦性能，例如，使用传统自动对焦系统难以应对的低光照状况或是低对比度被拍摄物的情况。激光自动对焦已被主要智能手机制造商广泛使用，大多数厂商采用的是ST的ToF技术。还有很多大众市场产品也采用了ST ToF产品。这些产品包括扫地机器人、笔记本电脑、儿童平板电脑（护眼）、自动水龙头、家用无人机、机器人、投影仪等。在机器人应用中，ST ToF支持在一个机器人中安装多个传感器，集成过程非常容易。在用户存在检测中，ST有型号齐全的测距传感器，测距长度从近距离到4米，且测距精准。在接近检测中，因ST的ToF具有的低功耗、小尺寸的特点，适用于多种触屏盖板材料，测距精度不受物体的颜色、表面、材质的影响，同时带来最好的节能效果。
VL53L0、VL53L1、VL53L3系列产品以及其它产品现已量产，目标应用是消费电子、个人计算机和工业市场，这些产品是构成10亿出货的主力。2020年即将投入量产的第四代ToF产品VL53L5，它的可切割性必将为ST拓展更大的市场应用空间。