影像产品会成为ST的下一个MCU或MEMS产品线么?

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在手机光学市场取得成功之后,意法半导体(ST)决定在光学市场上持续发力。

意法半导体公布的2017年报显示,影像产品事业部是意法半导体所有业务中增速最快的,实现了三位数成长,而ToF传感器更是成长超过300%。

从2017年第四季度开始,公司将以前录在其它项的影像产品部转入模拟器件和MEMS产品部(AMG),成立新的部门模拟器件、MEMS和传感器产品部(AMS),AMG部门总裁Benedetto Vigna继续担任AMS部门总裁,这也体现了公司对于影像产品部门的重视,相信在MEMS功臣Benedetto的带领下,影像部门同样能取得伟大胜利。

2017年意法半导体投资者峰会上,时任公司COO,现已成为公司CEO的Jean-Marc Chery提出了图像市场的战略,既提供差异化的智能光学传感器解决方案。

ST在MCU和MEMS领域近几年取得了显著成效,最主要原因是将产品带入到了更广阔的领域中,比如MEMS在手机、玩具、游戏机、可穿戴以及更多领域,而MCU也是如此,涵盖工控、消费等多领域。

如今,ST希望将这一广阔市场战略应用在影像产品中,从而取得更大的成功。

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图为ST的图像处理开发进程,2015年开始发展ToF,2016年扩展在特殊图像传感器(重点是车用CMOS传感器市场)短短几年间,ToF市场就得到了主流应用。除了在手机中,由于其优异性能,也逐渐被其他行业所接受。

实现更广阔领域拓展

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在投资者峰会上,Chery表示ST是市场上第一大ToF传感器供应商,拥有15家以上OEM合作伙伴,超过15个厂家70款手机采用了ST 的 FlightSense技术ToF传感器,累计出货量超过2.5亿颗,仅开发板就推出了17000块。不过就在几天前,意法半导体影像产品部技术市场负责人张程怡透露目前ST ToF出货量超过了3.5亿,仅用半年时间出货量就超过1亿颗。

同时Chery也透露了ST的第三代ToF VL53L1,该产品拥有多目标监测,可编程多区域电容以及抗玻璃盖板干扰等特性。

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采用ST ToF传感器的部分手机机型

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如图所示,利用ToF可以实现低照度和对比度下的自动对焦,还可以通过多区扫描实现精准的主体与背景判断,深度判断,甚至改变闪光灯发射频率从而实现更精准的曝光。

张程怡具体阐述了ToF VL53L1产品的特性,他表示,激光测距传感器并不是什么新技术,但是将尺寸、功率、功耗等小型化是很具有挑战性的。

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如图所示,测距原理就是简单通过时间差*光速即可得到,但由于距离短,光在1cm的距离所需要时间仅为67皮秒,1,000,000,000,000 皮秒=1秒,所以说准确测量难度可想而知。

ST的FlightSense技术利用了单光子雪崩二级管,超高速时间分辨率让Direct ToF技术能够采用ST CMOS SPAD制造工艺,可以实现更小的尺寸和更高的集成度。在整个ToF领域,ST拥有着诸多知识产权。目前在光学产品部门中,有80%的员工是研发人员。

张程怡说道,ST的ToF传感器有三大优势,第一是高集成度,ST的ToF结合接收与发送端,同时还包括相应的软件及算法,用户可直接拿到模块化的产品。

第二是不分材质和颜色,无论被测物体的反射率如何,都可以进行准确测量。“ToF主要采用时间差的方式而不是采用能量判定方式,因此可以识别不同反射介质。”张程怡介绍道。

第三是可以避免环境光带来的影响,无论是户外的阳光还是室内的电灯,都可以避免干扰。

张程怡介绍道,从第二代ToF开始就采用了940nm波长红外发射技术,可以克服其他电子设备带来的干扰。

“很多家都做ToF传感器,但真正像我们产品一样拥有尺寸功耗等多方面优势的还是不多。”张程怡说道。

目前ToF最重要的应用是在手机端,包括激光自动对焦摄影以及测距和接近传感方面。实际上在人脸识别领域,比如iPhoneX中,ST的ToF产品也为FaceID起到了关键性作用。

张程怡表示,利用ToF有机会实现人脸识别的初步判断,比如先对物体大致判断是否是真正的人脸或者照片之类的,然后再进行面部识别。由于目前除苹果外的智能手机都采取摄像头人脸识别,因此这样可以提前排除部分人脸识别操作,有效避免频繁开启摄像头造成的功耗损失。张程怡透露,ST针对人脸识别进行的先过滤再识别的整体解决方案正在开发中,预计一到两年后会实现。

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而为了扩展ToF的应用,ST要将ToF应用到更多领域,实际上在第一代时,ST就已打算将ToF用在更广阔市场。


目前三代ToF产品线和目标应用,由于精度进一步提升,第三代ToF可用于包括无人机、机器人、门禁系统、投影仪自动对焦等都可以实现精准定位,提升用户使用体验,进一步降低系统功耗、成本及尺寸。

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ToF可应用领域

张程怡表示,相比传统的接近传感器,ToF技术由于准确度更高,可以实现更好的用户体验。

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如图所示,接近传感器准确度不高,容易出现产品失灵,影响用户体验

目前,ST已在非手机应用中进行了广泛布局,张程怡也带来了几款采用ST ToF技术的产品。

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智能化妆镜,ToF可以实现人体检测,当人靠近准备化妆时,灯会变得更亮

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智能扫地机器人,ToF可以实现精准定位,从而确保机器人沿边直线清扫

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科勒智能水龙头,相比接近传感器,采用ToF可以更加灵敏

重返车用图像传感器市场

除了ToF之外,张程怡还介绍了ST即将推出的高动态防闪烁图像传感器和ISP--VG6768+STV0971。

汽车是ST最为重要的部门之一,ST一直在包括动力、娱乐、ADAS等车用系统发力,而现在,ST又将触角再次延伸到ADAS系统中最重要的组成部分之一,车用图像传感器领域。

目前车用CMOS传感器市场已被几大厂商占领,包括安森美、Omnivision、索尼、东芝、迈来芯、镜泰等厂商占据,留给其他公司的市场已经不多了,ST作为后来者,必须要有自己的独到之处,才有可能占据一席之地。

张程怡表示,ST的CMOS传感器独到之处有两点,分别是高动态范围和防LED闪烁。

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ST车用CMOS传感器特性

张程怡介绍道,车载摄像头的使用环境决定了其性能不取决于像素,而是取决需要更高的摄录速度及更高的动态范围。“户外环境很复杂,有特别亮的地方也有特别暗的地方,比如过桥洞,就会从突然特别暗的地方进入到特别亮的地方,这时候如果动态范围不好,会造成影像记录效果不佳,从而影响ADAS系统性能。”

ST最新的图像传感器VG6768的HDR为145dB,远高于目前业界普遍的120dB。

而对于LED闪烁来说,相信大家都有过经验,就是用手机拍显示器,会出现波纹。这是因为LED频宽非常宽,永远处于闪烁状态,可是对行车记录仪来说,闪烁会影响用户体验,而对于未来的电子后视镜来说,为了安全考虑更不允许有闪烁发生。

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电子后视镜要求非常严苛,需要消除LED闪烁并具有高动态范围,ST的产品在这一市场极具竞争力,目前已有欧洲车厂采用了ST上一代图像传感器产品。

张程怡详细解释了ST的独特工艺,确保图像传感器无闪烁。

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如图所示,针对一般影像传感器来说,为了保持更宽的动态范围,通常采用不同的长短曝光周期,实现明暗图像信号的全采集,这样就会错开LED的部分开关周期,从而变得闪烁。

而ST通过双二极体方式,一个负责长曝光,一个负责中短曝光,这样就可以实现信号全采集。“理论上并不难,但是工艺很难,如何在感应器的表面感应层放置两个不同的二极体,而且还要结合起来,实现快速相应很难,需要工艺的长期积累。”张程怡介绍道。

正因为有着更好的技术指标,因此ST将这一技术的目标市场首先定位在高端ADAS系统及电子后视镜应用中。

技术之外

ST在MEMS和MCU领域的成功,技术占一定因素,更重要的是围绕整个生态系统进行的搭建,而ToF从一开始就注意到了这些。

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ST在全球重点市场都有技术支持和本土市场营销布局,同时全球化的生产模式也保证了供货周期,目前ST的影像产品采用12寸及8寸晶圆生产,可保持更高的产量及更好的性价比。

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对于开发环境来说,以VL53L0为例,ST提供了多种开发板和套件,可以让客户尽早进行评估与开发工作。

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接近传感器及低功耗开关监测用ToF产品路线图

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自动对焦辅助装置ToF产品路线图

通过更完善的产品分类及长期不断投入,确保客户有更长的使用周期和更灵活的选择,这也是ST在MCU和MEMS领域制胜法宝之一,如今ST将这一战略复制到影像产品中,并且额外加大了在研发方向的投入。相信ST在影像领域,不会让客户们失望。

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