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Erster Mehrzonen ToF-Sensor für CE-Markt

Woher stammt der ToF-Sensor im Samsung-Flaggschiff?

04. November 2020, 16:15 Uhr   |  Markus Haller

Woher stammt der ToF-Sensor im Samsung-Flaggschiff?
© Samsung

Im Kameramodul und S Pen des Galaxy Note20 arbeiten Sensorbausteine von STMicroelectronics.

Der Halbleiterhersteller, der das Mehrzonen-ToF-Modul liefert, ist gleich mehrfach mit Sensorik-Bausteinen in den neuen Smartphones von Samsung vertreten.

Das leistungsstärkste Smartphone des südkoreanischen Herstellers ist aktuell das Galaxy Note20 Ultra. Der kleine Bruder, das Galaxy Note20, kam etwas später auf den Markt. Beide Modelle überzeugten die Kollegen der Fachzeitschrift Connect, die die Geräte ausführlich getestet haben, nicht zuletzt durch die Leistungsfähigkeit des Dreifach-Kamera-Moduls. Dafür verantwortlich ist aber nicht nur das Kamera-Modul selbst oder der nachgelagerte Signalprozessor.

Für die Fokusfunktion der Kamera wird häufig ein ToF-Sensorbaustein (Time of Flight) genutzt, um Abstandsinformationen zum fokussierten Objekt zu ermitteln. Im Galaxy Note 20 Ultra wird dafür erstmals ein mehrzonenfähiges ToF-Sensormodul verwendet. Es stammt von STMicroelectronics und gilt als der erste Mehrzonen-ToF-Sensor in der Konsumelektronik. Bei diesem Sensortyp wird der Öffnungswinkel (typ. 27 °) in verschiedene Bereiche unterteilt, die auch als RoI bezeichnet werden (Region of Interest). Statt des gesamten Sichtfeldes wird nur ein bestimmtes RoI ausgelesen, sodass schnell auf einen bestimmten Bereich, den der Anwender über das Display auswählen kann, fokussiert wird. Die Methode ist unabhängig vom Tageslicht und von der Objektoberfläche. Da ToF-Sensoren aber eine limitierte Reichweite von einigen Metern haben, muss für weiter entfernte Objekte auf andere Methoden zurückgegriffen werden. Smartphone-Hersteller nutzen in der Regel hybride Systeme, die verschiedene Autofokusmethoden zusammenführen (z.B. Kontrastmessung und ToF).

64 Zonen mit VL53L5-ToF-Modul

Welches Mehrzonen-ToF-Modul im Galaxy Note20  integriert ist und wie viele Fokusbereiche bereitgestellt werden, teilte STMicroelectronics nicht mit. Einen Eindruck von der technischen Leistungsfähigkeit vermittelt aber das aktuellste Mehrzonen-Modul des Halbleiterherstellers. Das VL53L5 unterteilt ein Bild in 64 verschiedene Bereiche und ermittelt für jeden Bereich die Tiefeninformationen. Als Lichtquelle wird ein 940-nm-VCSEL verwendet. Es ist zusammen mit einem VCSEL-Treiber und Detektor, bestehend aus Single Photon Avalanche Dioden (SPAD), und 32-bit-MCU-Kern im Modul integriert. Die Detektionsreichweite von 4 m ordnet STMicroelectronics Leiter des Geschäftsbereichs Imaging, Eric Aussedat, als »herausragend« ein, sodass sie als aktuelle Obergrenze für ToF-Module in der Konsumelektronik angesehen werden kann.

Das VL53L5 ist laut STM das weltweit erste ToF-Modul mit 64 Zonen.
© STMicroelectronics

Das VL53L5 ist laut STM das weltweit erste ToF-Modul mit 64 Zonen.

Das SPAD-Array wird in 40-nm-Technik gefertigt – nicht in Asien, sondern in der Wafer-Fertigungsstätte im französischen Crolles. Es unterstützt ein Auslesen aller 64 Bereiche mit maximal 15 fps für maximale räumliche Auflösung oder einen auf maximale Reichweite ausgelegten Modus, bei dem 16 Bereiche mit 60 fps ausgelesen werden. Das ToF-Sensormodul ist 6,4 x 3,0 x 1,5 mm³ groß, verarbeitet die aufgenommenen Rohdaten über einen integrierten Mikrocontroller mit Beschleuniger und gibt die Entfernungsdaten über eine I²C- oder SPI-Schnittstelle aus.

Weitere STM-Bausteine im Galaxy Note20

Im aktuellen Samsung-Flaggschiff sind nach Angaben von STMicroelectronics noch weitere Bausteine des Halbleiterherstellers integriert: Ein MEMS-Luftdrucksensor misst den atmosphärischen Druck sowie die Höhe, auf der sich ein Anwender aktuell befindet. Die Sensordaten können für präzises Fitness-Tracking und weitere Anwendungen genutzt werden, bei denen eine vertikale Detektierung wichtig ist. Der S Pen – ein Stift, mit dem sich das Galaxy Note20 bedienen lässt – arbeitet mit einer 6-Achsen-Inertialmesseinheit (IMU) zur Gestenerkennung und -interpretation. Der Baustein benötigt sehr wenig elektrische Leistung und nutzt eine proprietäre Machine-Learning-Logik, um die Gestenauswertung zu vereinfachen und eine latenzarme Reaktion zu erreichen.

Nach Unternehmensangaben befinden sich Bausteine von STMicroelectronics weltweit in mehreren hundert Smartphone-Modellen. Allein die ToF-Bausteine sind in über 150 Modellen integriert.

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