ToF市场混战,如何才能立于不败之地

过去两年,因为手机厂商的推动,ToF需求猛增。据MarketsandMarkets最新报告称,全球飞行时间(ToF)传感器市场规模预计将从2020年的28亿美元增长到2025年的69亿美元,复合年增长率达20.0%。

ToF市场的火爆引来了众多厂商向这个领域发力,其中就包括三星。这些企业的强势加入,加剧了ToF市场的竞争。而从目前市场情况中看,ST是全球第一大ToF传感器供应商,截止至去年年底,ST ToF传感器模组的出货量已达到10亿颗。作为ToF传感器市场的领导者,面对来势汹汹的挑战者,ST靠什么才能让自己立于不败之地。

沉淀20余年的技术利器

工欲善其事,必先利其器。技术创新是ST能够在TOF市场中保持优势地位的原因之一。

意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术市场经理张程怡介绍,ST在图像和光学传感器方面的研究可追溯至1986年,当时,爱丁堡大学率先发表了关于COMS成像技术的论文,1990年,爱丁堡大学创办了VISION,1999年,意法半导体收购了VISION,由此成立了影像事业部,并开启了他们在这一领域的征程。

从1999年到2020年的20余年当中,ST先是支持了手机相机模块业务的发展,后来,传统的手机RGB传感器逐渐受到新型图像传感器的冲击,因此,ST调整了其战略目标,即切换到快速增长的重要应用,部署ToF解决方案便是其中之一。

2015年,ST针对ToF领域所推出的FlightSense系列传感器开始被广泛地用于智能手机,2019年,其FlightSense产品出货量达10亿颗,应用领域也从智能手机,扩大到了PC和大众市场。

从2015年至今,ST的FlightSense系列产品已经更新到了第四代,并已经推出了四代多合一解决方案。张程怡表示:“每一代新产品推出,意法半导体的ToF技术都能让各种应用取得重大的性能改进,其中包括控制笔记本电脑或显示器唤醒和休眠的用户存在检测,以及智能手机摄像头的混合对焦算法的激光自动对焦,大多数排名靠前的智能手机相机都内置了意法半导体的FlightSense传感器的自动对焦功能。”

(意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术市场经理张程怡)

新产品助力ST更上一层楼

就ToF技术领域而言,它可大致分为dToF和iToF,其中,dToF技术被广泛地用于摄像头对焦、测距和接近检测等领域,也是被众多厂商所聚焦的领域。

针对dToF技术来说,ST已经推出了多款产品,包括VL6180V1、VL53L0CX、VL53L1CX等产品,其中VL53L1CX最大测距为4米。“由于这些产品的FoV不同,其测试的最大距离和用途也有所差异”,张程怡表示:“随着距离增加,瞄准的目标和覆盖范围实际上也会扩大。”

随着智能化的深入,终端产品需要更多样化的ToF产品。于是,ST在今年推出了新款产品——一是集成滤光片的ToF传感器VL53L1CB,它可支持远距离测距以及定义视场角FoV,其最大测试距离为8米。这两款产品的推出,进一步扩大了ToF传感器在终端领域中应用。

二是推出了高性能接近检测传感器VL53L3CX,其兼具近距离线性度和测距性能,最大测试距离为5米。意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术市场经理林国志表示:“ST对VL53L3CX的改进主要体现在硬件、软件和光学方面,在光学配合和软件的优化的基础下,便可以使其兼具近距离线性度和测距功能。”

(意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术市场经理林国志)

此外,ST还于今年推出的另外一款ToF传感器——VL53L5。据其官方资料介绍,VL53L5 FlightSense多区直接飞ToF传感器采用了ST最先进的40nm SPAD制造工艺,最大测距距离可达4米,测距区域多达64个,有助于成像系统了解场景空间细节。其测距区数量是上一代的64倍,可大幅提升激光自动对焦、触摸对焦、存在检测和手势界面的性能。

从FoV的角度来看,VL53L5可设置最大对角视场达61°,这种广视场角特别适合检测不在图像中心的物体,并确保在图像的各个角落都能完美自动对焦。据张程怡介绍,61°FoV之所以受追捧,有两个原因,其中一个是它接近相机模块或相机的实际FoV,即大约是61度或70度。另一个原因是,在大众市场上,有许多用户检测应用需要更宽的FoV视场角。

另外,VL53L5可创建64个测距区也是一个值得注意的亮点。张程怡指出,dToF目前已经从单区进化到64区,未来期待再提升更多的区域。根据未来市场的发展要求变化,这可能会增长到百点、千点、万点。

据其官方介绍,VL53L5同类产品集成940nm垂直腔表面发射激光器(VCSEL)光源、VCSEL驱动器的SoC传感器、单光子雪崩二极管(SPAD)接收阵列和运行复杂固件的低功耗32位MCU内核及加速器。采用了多种集成的方案,可以使FlightSense实现更强大的功能——通过SPAD阵列收集原始数据,并有专有的嵌入式MCU和加速器执行后处理,再通过I2C或SPI总线将测距数据传输到系统主处理器,因此,FlightSense不需要特定的相机接口和功能强大的接收器MCU,并确保质量和性能出色。

林国志表示:“在ToF产品组合上,ST会提供多个型号供客户选择,包含不同距离的侦测、不同角度的侦测、单点以及多点等产品。针对不同的产品,ST可以在硬件或光学上提供不同的设计来满足市场的需求。”

瞄准两个关键市场

而从市场发展情况来看,除了智能手机以外,ToF技术还能众多领域得以应用。其中,消费电子和工业领域是ST重点布局的两大市场。

张程怡表示:“在消费电子领域,接近检测和投影仪市场(包括大型投影仪、微型投影仪和便携式投影仪)为ToF的成长提供了动力。”

服务机器人是采用ToF进行接近检测的典型案例之一,通过ToF技术,可帮助他们实现避障、循迹等功能。同样,接近检测还能实现无触摸操作。

对于投影仪方面来讲,通过ToF技术,可以使系统立即完成自动对焦。当用户靠近对人眼有害的投影镜头时,ST ToF解决方案还通过测距和存在检测功能,使系统能够连续提示用户不要靠近投影机镜头。

“ST的解决方案还能实现一个非常重要的几何形状调整功能,即梯形校正,可以解决投影时发生的形状发生畸变问题”,张程怡表示:“此外,ST还在研究手势控制。对于这些类应用,ST的核心优势是超高速测距,以实现快速自动对焦。由于提高了产品的能效,因此,非常适合电池供电的产品。”

对于工业市场而言,ToF技术则可以帮助工厂实现工厂自动化、进行容量管理等。另外,ToF技术还在新冠疫情当中发挥了重要作用,无接触测距这种新型应用变得至关重要,而ST ToF具有这些应用所需的关键功能。

ToF结合CIS解锁更多应用场景

除了ToF本身所蕴藏的巨大潜力,其与CIS产品的结合,则可能是助推未来ToF发展的另外一个方式。

张程怡表示:“CIS和ToF本身并没有冲突。如今,采用ToF技术所完成的大部分属于机械视觉,亦或可以称之为机械视觉的应用,往往用来做一些开关或控制的动作。而CIS则是拿来做机械视觉的控制。”

从市场发展来看,CIS与ToF的结合正在很多领域中上演。其一是在手机领域,高解析度的CIS,在阴暗环境或复杂场景的环境下,无法实现快速精准的对焦,而dToF则能辅助CIS,补齐其在对焦上的短板。其二,在PC领域中,ToF则可以作为一个近距离检测系统,来唤醒CIS,进而可以达到省电或者是保护荧幕的功能。此外,在智能闸门等新兴智能应用方面,ToF也可以和不同的CIS进行结合来解锁更多的功能。

总结

从整体看来,ST FlightSense系列产品之所以能够在ToF市场当中立于不败之地,是因为其能够在出货量、质量、服务方面领先市场,而这源自于ST在ToF市场上的积累,对市场的精准把控,使得他们能够洞悉市场痛点;在性能方面,ST FlightSense提供不受目标颜色和反射率影响的实距测量,这也是ST ToF在市场上脱颖而出的原因。物体的颜色等因素不会影响我们的测距准确度,这是ST ToF解决方案成功的基础;其三,ST FlightSense激光传感器能够保障安全;最后,是其在ToF领域的推陈出新,不断地扩大其产品阵容能够使其适应市场的变化,满足各类产品的需求。

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本文源自头条号:半导体行业观察

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