3D視覺熱潮來襲，“ToF”接力“結(jié)構(gòu)光”

2017年，蘋果iPhone X前置結(jié)構(gòu)光（SL）模組開啟了3D成像和傳感時(shí)代。隨后，安卓智能手機(jī)推動(dòng)第二波3D成像和傳感應(yīng)用，iToF（間接飛行時(shí)間）模組加快滲透。2020年3月，蘋果新款iPad Pro閃亮登場(chǎng)，捧紅了dToF（直接飛行時(shí)間）模組——激光雷達(dá)掃描儀。那么，2020年下半年蘋果即將發(fā)布的iPhone 12系列手機(jī)是否會(huì)再接再厲，加快dToF應(yīng)用步伐呢？

3D視覺熱潮來襲，“ToF”接力“結(jié)構(gòu)光”

視覺是人類獲取信息的主要載體；類似地，視覺傳感器也是機(jī)器獲取信息的主要載體。模仿人類視覺體驗(yàn)，機(jī)器視覺正從二維（2D）走向三維（3D），并在某些方面超越人類視覺，為豐富多彩的創(chuàng)新應(yīng)用提供發(fā)展驅(qū)動(dòng)力。如今，3D傳感結(jié)合人工智能（AI），正在改變著各行各業(yè)的運(yùn)行模式和人類的生活方式：從“智能手機(jī)人臉識(shí)別、零售行業(yè)刷臉支付”，到“交通工具自動(dòng)駕駛、游戲領(lǐng)域體感操控”，再到“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）”……為了讓大家把握3D時(shí)代機(jī)遇，麥姆斯咨詢經(jīng)過深入調(diào)研和專家訪談，撰寫并發(fā)表了《飛行時(shí)間（ToF）傳感器技術(shù)及應(yīng)用-2020版》報(bào)告。

3D成像和傳感應(yīng)用示例（來源：麥姆斯咨詢）

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，3D成像和傳感模組主要有三大類：立體視覺、結(jié)構(gòu)光、飛行時(shí)間（ToF）。但是在智能手機(jī)上很難尋覓到立體視覺的身影，主要是結(jié)構(gòu)光和ToF的競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)構(gòu)光和ToF都屬于主動(dòng)光探測(cè)方案，包括發(fā)射端和接收端兩部分，以典型的3D iToF攝像頭模組為例，發(fā)射端核心元器件包括垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、擴(kuò)散片（diffuser）和透鏡，接收端核心元器件包括ToF圖像傳感器、窄帶濾光片和透鏡。結(jié)構(gòu)光的“舞臺(tái)”是手機(jī)前置攝像頭，而ToF則可以“前后通吃”，尤其是利用手機(jī)后置攝像頭實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）功能，都是ToF的天下。雖然iPhone X采用的結(jié)構(gòu)光被認(rèn)為是3D成像和傳感時(shí)代的起點(diǎn)。但是越來越多的智能手機(jī)3D模組向ToF發(fā)展，從而提升屏占比（全面屏趨勢(shì)）和抗陽光干擾性能，并降低計(jì)算量和成本。

3D成像和傳感模組及元器件示例（來源：麥姆斯咨詢）

采用3D成像和傳感技術(shù)的智能手機(jī)（來源：麥姆斯咨詢）

其實(shí)，智能手機(jī)的ToF應(yīng)用早于2014年就開始了，不過當(dāng)時(shí)還沒實(shí)現(xiàn)3D成像和傳感，僅僅是單點(diǎn)或小陣列測(cè)距（1D dToF方案），主要應(yīng)用是自動(dòng)對(duì)焦、接近檢測(cè)、人體存在檢測(cè)。2014~2018年期間，意法半導(dǎo)體（ST）幾乎獨(dú)享手機(jī)ToF測(cè)距/接近傳感器市場(chǎng)，2019年11月宣布出貨量突破10億大關(guān)。艾邁斯半導(dǎo)體（ams）嗅到了此商機(jī)，除了為華為定制了ToF測(cè)距/接近傳感器，還于2019年推出全球最小的集成式ToF測(cè)距/接近傳感器：TMF8701。

ToF在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)（來源：麥姆斯咨詢）

在3D ToF方面，人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用成為增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。由于采用背照式（BSI）技術(shù)，iToF圖像傳感器現(xiàn)在有了很大的改進(jìn)，分辨率可達(dá)VGA（640像素 x 480像素）甚至更高。在成熟的3D視覺生態(tài)系統(tǒng)中，iToF方案也擁有成本優(yōu)勢(shì)。這些是iToF贏得安卓智能手機(jī)廠商青睞的主要原因。除智能手機(jī)之外，3D ToF在智能駕駛、機(jī)器人、智能眼鏡、智能電視、智慧安防等領(lǐng)域都擁有廣闊的發(fā)展前景，吸引了眾多傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器、指紋識(shí)別傳感器廠商加入“戰(zhàn)局”。其中，索尼（Sony）無疑是3D ToF領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，pmd與英飛凌（Infineon）也發(fā)布了一款極具競(jìng)爭(zhēng)力的ToF圖像傳感器。業(yè)界預(yù)測(cè)CMOS圖像傳感器巨頭三星（Samsung）和意法半導(dǎo)體將在2020~2021年推出自己的ToF圖像傳感器。

iToF傳感器代表廠商產(chǎn)品（來源：麥姆斯咨詢）

索尼在ToF領(lǐng)域的成功離不開一項(xiàng)收購——2015年10月8日收購比利時(shí)公司SoftKinetic，進(jìn)軍ToF傳感器領(lǐng)域。2017年12月18日，SoftKinetic正式更名為Sony DepthSensing Solutions，加強(qiáng)DepthSense系列產(chǎn)品的市場(chǎng)地位。然后到2019年，ToF攝像頭模組市場(chǎng)起飛時(shí)，這一舉措使索尼在3D成像和傳感接收芯片領(lǐng)域的市場(chǎng)份額從0%上升到45%。憑借強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)和供應(yīng)能力，索尼有望繼續(xù)保持在ToF傳感器市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。

蘋果捧紅3D dToF技術(shù)，中國(guó)廠商積極布局

2020年3月，蘋果（Apple）公司發(fā)布了新款平板電腦：iPad Pro，搭載了基于3D dToF技術(shù)的激光雷達(dá)掃描儀。這對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)界來講無疑是一場(chǎng)強(qiáng)烈的視覺“地震”！而“震中”則是索尼為蘋果定制生產(chǎn)的dToF圖像傳感器，其基于SPAD（單光子雪崩光電二極管）陣列，分辨率達(dá)到3萬像素。根據(jù)全球多位分析師預(yù)測(cè)，2020年下半年蘋果即將發(fā)布的iPhone 12 Pro Max很大可能后置激光雷達(dá)掃描儀，從而促使一些安卓智能手機(jī)從3D iToF轉(zhuǎn)向3D dToF。拜蘋果所賜，激光雷達(dá)從汽車電子領(lǐng)域躥紅到消費(fèi)電子領(lǐng)域。

蘋果平板電腦iPad Pro 2020及激光雷達(dá)掃描儀（LiDAR）

應(yīng)用于iPad Pro 2020激光雷達(dá)掃描儀的索尼dToF圖像傳感器

在單芯片上集成SPAD陣列和測(cè)距電路的光電探測(cè)解決方案，可實(shí)現(xiàn)低激光功率下的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，并降低整體系統(tǒng)功耗和減小體積。但無論是對(duì)SPAD陣列芯片的設(shè)計(jì)能力，還是對(duì)制造工藝和封裝技術(shù)，要求都非常高，因此，全球具有上述綜合能力的廠商寥寥無幾。受益于中國(guó)的創(chuàng)業(yè)環(huán)境和應(yīng)用市場(chǎng)，一批具有創(chuàng)新能力的海歸專家和本土精英投身于創(chuàng)業(yè)浪潮之中，撐起dToF傳感一片天！據(jù)麥姆斯咨詢調(diào)研，目前正在從事dToF傳感器研發(fā)和生產(chǎn)的中國(guó)初創(chuàng)公司主要有芯視界（visionICs）、靈明光子（Adaps Photonics）、芯輝科技（Xilight）、飛芯電子（ABAX Sensing）、宇稱電子（Microparity）、秉正訊騰等。

dToF傳感器國(guó)內(nèi)代表廠商產(chǎn)品（來源：麥姆斯咨詢）

在實(shí)際的3D成像和傳感應(yīng)用中，外界環(huán)境復(fù)雜多變，會(huì)產(chǎn)生大量干擾和噪聲，iToF技術(shù)面臨著“多徑干擾、飛行像素、精度隨測(cè)量距離下降”等諸多挑戰(zhàn)，因此并沒有獲得蘋果的青睞。而dToF技術(shù)產(chǎn)生的誤差在正常工作范圍內(nèi)不隨距離變化，受多徑干擾的影響小，并且功耗更低。因此，相比iToF，dToF在遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，為智能手機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及更廣泛的3D傳感應(yīng)用領(lǐng)域提供新的技術(shù)選擇。在這里需要強(qiáng)調(diào)一句：iToF和dToF各有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，用戶應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的技術(shù)路線。

SPAD自從被提出以來，就以其極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度等特性，成為弱光探測(cè)和高速成像研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。但是SPAD芯片實(shí)現(xiàn)大陣列的技術(shù)難點(diǎn)有很多，既包括器件物理層面的問題，例如提升小像素的光子探測(cè)效率（PDE），也涵蓋電路設(shè)計(jì)和制造工藝方面的問題，例如TDC（時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器）、淬火電路設(shè)計(jì)、跨阻放大器、3D堆疊工藝。所以，除了研究產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，麥姆斯咨詢還調(diào)研了全球及中國(guó)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的dToF傳感器文獻(xiàn)發(fā)表情況，挖掘了致力于dToF傳感器研究的全球代表性科研機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵人員和高被引文獻(xiàn)，并在本報(bào)告中提供給大家參考。dToF圖像傳感器不僅是一場(chǎng)技術(shù)競(jìng)賽，還是一項(xiàng)資本博弈，只有強(qiáng)大的參與者才能獲勝。

dToF傳感器英文文獻(xiàn)全球分布（來源：麥姆斯咨詢）

本報(bào)告還提供一份Excel文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，其中包含了涉及dToF相關(guān)探測(cè)器和測(cè)量電路的100多篇英文文獻(xiàn)索引和近60篇中文文獻(xiàn)索引。這份文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫支持多字段檢索，包括作者、單位、文獻(xiàn)題名、摘要、期刊名稱、出版年份、期號(hào)、頁碼等。

汽車激光雷達(dá)將成為ToF市場(chǎng)的發(fā)力點(diǎn)

汽車激光雷達(dá)作為一種采用ToF原理的測(cè)距系統(tǒng)，其核心元器件包括光源、光束操縱元件和光電探測(cè)器。其中，光電探測(cè)器結(jié)合飛行時(shí)間測(cè)量電路（包括TDC、TIA等）可以將探測(cè)目標(biāo)的距離信息由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便汽車ADAS或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)理解外界環(huán)境狀況并及時(shí)操控駕駛行為。隨著激光雷達(dá)核心元器件采用半導(dǎo)體技術(shù)，成本不斷降低，而性能不斷優(yōu)化，激光雷達(dá)也將從價(jià)格昂貴、模擬信號(hào)輸出、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的初始階段，逐漸過渡到價(jià)格親民、數(shù)字信號(hào)輸出、關(guān)鍵元件固態(tài)化的階段，勢(shì)必成為ToF市場(chǎng)的重要推動(dòng)力量。

汽車激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈代表廠商（來源：麥姆斯咨詢）

麥姆斯咨詢通過分析各種汽車激光雷達(dá)，總結(jié)了光源、光束操縱元件和光電探測(cè)器的主要類型，并給出了汽車激光雷達(dá)對(duì)光電探測(cè)器的要求及市場(chǎng)上的典型產(chǎn)品案例。例如，Ouster采用獨(dú)特的數(shù)字技術(shù)、多光束閃光激光雷達(dá)架構(gòu)，提供高分辨率、高可靠性、低成本的數(shù)字激光雷達(dá)，其核心芯片均是自主研發(fā)，包括一顆VCSEL陣列和一顆SPAD芯陣列；覽沃科技（Livox）發(fā)布的Horizon（浩界）高性能激光雷達(dá)采用具有六個(gè)敏感單元的APD線陣，其由日本濱松公司定制生產(chǎn)。

汽車激光雷達(dá)發(fā)展路線圖（來源：麥姆斯咨詢）

從激光雷達(dá)光電探測(cè)器的像元排列方式來看，可以分為單點(diǎn)式、線陣式和面陣式。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)主要采用單點(diǎn)雪崩光電二極管（APD），隨著激光雷達(dá)固態(tài)化的發(fā)展，逐漸過渡到線陣式和面陣式光電探測(cè)器，如SPAD陣列。但SPAD陣列制造難度高，供應(yīng)商稀缺，產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟。硅光電倍增管（SiPM）也面臨相似的問題，技術(shù)主要掌握在國(guó)際大廠手中（如濱松、安森美半導(dǎo)體）。我們也非常期待著芯視界、靈明光子、芯輝科技、飛芯電子等國(guó)內(nèi)光電探測(cè)器創(chuàng)業(yè)公司盡早實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和產(chǎn)品量產(chǎn)！