ToF工作的基本原理——通過(guò)計(jì)算光子飛行時(shí)間來(lái)推算距離。看似簡(jiǎn)單的原理背后，落實(shí)到硬件IC上有著更多的技術(shù)細(xì)節(jié)：從像素專(zhuān)業(yè)知識(shí)、到光子制造工藝、再到嵌入式和深度ISP…需要深厚的技術(shù)積累和完整的產(chǎn)線能力才可以提供出高性能可靠的ToF傳感器。

作為行業(yè)內(nèi)最早開(kāi)始發(fā)售ToF傳感器的廠商，ST的FlightSense系列ToF傳感器在去年年底已經(jīng)出貨了超過(guò)10億顆，是這個(gè)市場(chǎng)上最大的供應(yīng)商。2020年ST發(fā)布了其第四代的ToF產(chǎn)品——VL53L5，并于近日專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了FlightSense線上媒體交流會(huì)。讓我們跟隨ST影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡先生的分享，來(lái)捕捉ToF的應(yīng)用動(dòng)態(tài)和ST最新一代ToF傳感器的表現(xiàn)。

64區(qū)DToF出現(xiàn)后，ToF將不僅僅是個(gè)開(kāi)關(guān)

據(jù)張程怡先生分享，F(xiàn)lightSense飛行時(shí)間傳感器是通過(guò)激光發(fā)射模塊發(fā)射光子測(cè)量距離，光子擊中目標(biāo)后被反射到傳感器的另一個(gè)開(kāi)口，即傳接收器端。ToF有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，一個(gè)是探測(cè)距離，一個(gè)是對(duì)角線視場(chǎng)角。下圖是ST FlightSense系列四代產(chǎn)品的探測(cè)能力分布圖。可以看到前四代產(chǎn)品都是保持幾乎一致的對(duì)角線視場(chǎng)角（25度或27度），但是在探測(cè)距離上逐步有了大幅的提升。

在今年ST推出了一共三款產(chǎn)品：VL53L3CX提供最大5米的測(cè)距范圍、VL53L1CB提供超長(zhǎng)的8米的測(cè)距范圍；這兩款產(chǎn)品都支持基于ST直方圖專(zhuān)利算法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)距離測(cè)量，L3的近距檢測(cè)性能更強(qiáng)，而L1的測(cè)距距離更遠(yuǎn)。除了這兩款產(chǎn)品外，最為重磅的就是最近推出的VL53L5CX，這款產(chǎn)品最多可以支持提供每秒15幀的64區(qū)測(cè)距，最大FOV達(dá)到了61度，可以識(shí)別多個(gè)物體的距離。

據(jù)意法半導(dǎo)體大中華及南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理林國(guó)志 （Vincent LIN）先生分享，之前FlightSense的產(chǎn)品都是單區(qū)的，VL53L5CX是一款全新的多區(qū)檢測(cè)的ToF產(chǎn)品。單區(qū)可能著重應(yīng)用是單動(dòng)作的開(kāi)關(guān)，但是多區(qū)就提供了更多的可能，例如可以實(shí)現(xiàn)手勢(shì)操控、或者是AR／VR的應(yīng)用等。

作為第四代產(chǎn)品，VL53L5CX從一開(kāi)始的制程設(shè)計(jì)就有所升級(jí)：前代產(chǎn)品都是65或90mn的工藝，而VL53L5CX采用的是40nm的工藝——制程縮小意味著同樣面積上可以整合更多的二極管和電路，這樣才能迎合多區(qū)檢測(cè)的需求。“因?yàn)槎鄥^(qū)檢測(cè)需要同時(shí)間輸出更多光子，林國(guó)志分享道，“比如你用到64點(diǎn)，就要同時(shí)輸出64點(diǎn)的信息。這時(shí)候用到的一些轉(zhuǎn)換器或MCU的計(jì)算，就是單晶片的計(jì)算都必須要放在一個(gè)傳感器上。”也就是說(shuō)為了實(shí)現(xiàn)更大的FOV，光源部分需要采用多點(diǎn)VCSEL設(shè)計(jì)，接收和發(fā)射端的設(shè)計(jì)都是全新的。

10多億顆ToF都用在了那里？

我們都知道ST屬于從芯片設(shè)計(jì)、到前端生產(chǎn)、再到后道封測(cè)、最終到用戶端的生態(tài)整合方面，都做的非常優(yōu)秀的半導(dǎo)體廠商，善于打造適合人民的芯片。STM32的出貨量已經(jīng)超過(guò)了60億顆，而FlightSense的ToF產(chǎn)品也毫不示弱，僅僅幾年就已經(jīng)出貨量超過(guò)了10億顆。這既代表了市場(chǎng)的無(wú)限增長(zhǎng)潛力，也代表了ST ToF產(chǎn)品的受認(rèn)可的品質(zhì)。

那么這10億顆ToF都應(yīng)用在了哪里呢？張程怡先生分享了在消費(fèi)和工業(yè)兩大應(yīng)用領(lǐng)域的諸多場(chǎng)景。

首先在消費(fèi)領(lǐng)域，ToF主要的場(chǎng)景有接近檢測(cè)、投影儀、掃地機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人等等。接近檢測(cè)主要是檢測(cè)用戶是否存在和位置，然后實(shí)現(xiàn)一個(gè)操作的觸發(fā)。在水龍頭、停車(chē)場(chǎng)、燈具和移動(dòng)設(shè)備等等具體終端場(chǎng)景中都有著非常廣泛的應(yīng)用。掃地機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用中，ToF主要是提供避障檢測(cè)和隔空觸控的功能。

投影機(jī)則是ST主攻的另一個(gè)重要市場(chǎng)，并推出了配套的ToF解決方案，通過(guò)該方案可以幫助投影儀來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，并且可以幫助快讀準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)梯形矯正的功能，這樣就免除了用戶手動(dòng)進(jìn)行調(diào)試的繁瑣，而且大大提高了準(zhǔn)確性。“對(duì)于這些類(lèi)似應(yīng)用，我們的核心優(yōu)勢(shì)是超高速測(cè)距，這可以實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)對(duì)焦，快得用戶都沒(méi)有注意到對(duì)焦過(guò)程，使對(duì)焦變得非常自然、快速。因?yàn)闇y(cè)距很快，所以當(dāng)用戶接近時(shí)，調(diào)光功能立即啟動(dòng)。因此，安全不是問(wèn)題。產(chǎn)品能效也很高，因此，很適合電池供電產(chǎn)品。”張程怡先生介紹道。

在工業(yè)領(lǐng)域中，ST的ToF傳感器主要應(yīng)用于工廠自動(dòng)化和容量管理等場(chǎng)景。自動(dòng)化中主要使用ToF傳感器來(lái)檢測(cè)貨物的位置，例如檢測(cè)傳動(dòng)帶上的貨物是否達(dá)到了某個(gè)加工環(huán)節(jié)特定位置等。此外還有一個(gè)更為重要的是容量檢測(cè)，通過(guò)ToF的測(cè)距來(lái)推斷出貨倉(cāng)、貨車(chē)或者其他裝載空間中的容積。ST ToF傳感器的核心優(yōu)勢(shì)在于遠(yuǎn)距離超高速的測(cè)距，減少了工作人員必須要到每個(gè)倉(cāng)位單獨(dú)查看裝載量的工作，提高了整體的調(diào)配效率。

除了以上兩大應(yīng)用領(lǐng)域之外，張程怡先生還分享了ToF傳感器在新冠形勢(shì)下的諸多應(yīng)用可能，憑借著無(wú)接觸的操作優(yōu)勢(shì)，ToF可以說(shuō)是非常適合當(dāng)下的防控形態(tài)。

ST在ToF傳感器領(lǐng)域一直表現(xiàn)優(yōu)異，憑借著出色的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和生態(tài)整合的能力，致力于提供可以獲得市場(chǎng)廣泛認(rèn)可的爆款產(chǎn)品。最新的第四代FlightSense傳感器提供了更大的FOV，將會(huì)把ToF的應(yīng)用面繼續(xù)擴(kuò)大，未來(lái)在一些手勢(shì)識(shí)別、AR／VR的應(yīng)用中或可看到FlightSense的身影。

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