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3D成像市场持续火爆,ToF传感器向更多应用场景蔓延

http://www.ec.hc360.com2020年01月08日09:13 来源:与非网T|T

    一种新技术的引爆往往从手机市场开始,2017年苹果推出全球一款搭载3D结构光技术的智能手机iPhoneX,让3D人脸识别FaceID取代了TouchID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。

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    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是较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。”

    

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    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)、EwokEvoPlus(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3DToF技术方案,其中CCDToF前端芯片ADDI903x系列是ADIToF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,未来角度不是较大的瓶颈,较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。

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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40nmSPAD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较大的,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,用户较关心的一定是ToF可以应用在哪里?对焦、人体检测、物品检验是较重要的应用。

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    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。

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    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:较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。

责任编辑:黄美婷

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