3D視覺熱潮來襲，TOF傳感器技術市場簡析

　　【儀表網 儀表上游】2017年，蘋果iPhone X前置結構光(SL)模組開啟了3D成像和傳感時代。隨后，安卓智能手機推動第二波3D成像和傳感應用，iToF(間接飛行時間)模組加快滲透。2020年3月，蘋果新款iPad Pro閃亮登場，捧紅了dToF(直接飛行時間)模組——激光雷達掃描儀。那么，2020年下半年蘋果即將發布的iPhone 12系列手機是否會再接再厲，加快dToF應用步伐呢？
 

　　3D視覺熱潮來襲，“ToF”接力“結構光”
 

　　視覺是人類獲取信息的主要載體；類似地，視覺傳感器也是機器獲取信息的主要載體。模仿人類視覺體驗，機器視覺正從二維(2D)走向三維(3D)，并在某些方面超越人類視覺，為豐富多彩的創新應用提供發展驅動力。如今，3D傳感結合人工智能(AI)，正在改變著各行各業的運行模式和人類的生活方式：從“智能手機人臉識別、零售行業刷臉支付”，到“交通工具自動駕駛、游戲領域體感操控”，再到“增強現實(AR)、虛擬現實(VR)”……
 

　　在消費電子領域，3D成像和傳感模組主要有三大類：立體視覺、結構光、飛行時間(ToF)。但是在智能手機上很難尋覓到立體視覺的身影，主要是結構光和ToF的競爭。結構光和ToF都屬于主動光探測方案，包括發射端和接收端兩部分，以典型的3D iToF攝像頭模組為例，發射端核心元器件包括垂直腔面發射激光器(VCSEL)、擴散片(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。結構光的“舞臺”是手機前置攝像頭，而ToF則可以“前后通吃”，尤其是利用手機后置攝像頭實現增強現實(AR)功能，都是ToF的天下。雖然iPhone X采用的結構光被認為是3D成像和傳感時代的起點。但是越來越多的智能手機3D模組向ToF發展，從而提升屏占比(全面屏趨勢)和抗陽光干擾性能，并降低計算量和成本。
 

　　其實，智能手機的ToF應用早于2014年就開始了，不過當時還沒實現3D成像和傳感，僅僅是單點或小陣列測距(1D dToF方案)，主要應用是自動對焦、接近檢測、人體存在檢測。2014~2018年期間，意法半導體(ST)幾乎獨享手機ToF測距/接近傳感器市場，2019年11月宣布出貨量突破10億大關。艾邁斯半導體(ams)嗅到了此商機，除了為華為定制了ToF測距/接近傳感器，還于2019年推出小的集成式ToF測距/接近傳感器：TMF8701。
 

　　在3D ToF方面，人臉識別、手勢識別、增強現實等應用成為增長驅動力。由于采用背照式(BSI)技術，iToF圖像傳感器現在有了很大的改進，分辨率可達VGA(640像素 x 480像素)甚至更高。在成熟的3D視覺生態系統中，iToF方案也擁有成本優勢。這些是iToF贏得安卓智能手機廠商青睞的主要原因。除智能手機之外，3D ToF在智能駕駛、機器人、智能眼鏡、智能電視、智慧安防等領域都擁有廣闊的發展前景，吸引了眾多傳統CMOS圖像傳感器、指紋識別傳感器廠商加入“戰局”。
 

　　索尼在ToF領域的成功離不開一項收購——2015年10月8日收購比利時公司SoftKinetic，進軍ToF傳感器領域。2017年12月18日，SoftKinetic正式更名為Sony DepthSensing Solutions，加強DepthSense®系列產品的市場地位。然后到2019年，ToF攝像頭模組市場起飛時，這一舉措使索尼在3D成像和傳感接收芯片領域的市場份額從0%上升到45%。憑借強大的技術研發和供應能力，索尼有望繼續保持在ToF傳感器市場的地位。
 

　　蘋果捧紅3D dToF技術，中國廠商積極布局
 

　　2020年3月，蘋果(Apple)公司發布了新款平板電腦：iPad Pro，搭載了基于3D dToF技術的激光雷達掃描儀。這對于消費電子產業界來講無疑是一場強烈的視覺“地震”！而“震中”則是索尼為蘋果定制生產的dToF圖像傳感器，其基于SPAD(單光子雪崩光電二極管)陣列，分辨率達到3萬像素。根據多位分析師預測，2020年下半年蘋果即將發布的iPhone 12 Pro Max很大可能后置激光雷達掃描儀，從而促使一些安卓智能手機從3D iToF轉向3D dToF。拜蘋果所賜，激光雷達從汽車電子領域躥紅到消費電子領域。
 

　　在單芯片上集成SPAD陣列和測距電路的光電探測解決方案，可實現低激光功率下的遠距離探測能力，并降低整體系統功耗和減小體積。但無論是對SPAD陣列芯片的設計能力，還是對制造工藝和封裝技術，要求都非常高。
 

　　受益于中國的創業環境和應用市場，一批具有創新能力的海歸專家和本土精英投身于創業浪潮之中，撐起dToF傳感一片天！據麥姆斯咨詢調研，目前正在從事dToF傳感器研發和生產的中國初創公司主要有芯視界(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。
 

　　在實際的3D成像和傳感應用中，外界環境復雜多變，會產生大量干擾和噪聲，iToF技術面臨著“多徑干擾、飛行像素、精度隨測量距離下降”等諸多挑戰，因此并沒有獲得蘋果的青睞。而dToF技術產生的誤差在正常工作范圍內不隨距離變化，受多徑干擾的影響小，并且功耗更低。因此，相比iToF，dToF在遠距離、復雜環境的應用中具有優勢，為智能手機增強現實(AR)及更廣泛的3D傳感應用領域提供新的技術選擇。在這里需要強調一句：iToF和dToF各有自己的特點和優勢，用戶應該根據實際應用場景選擇合適的技術路線。
 

　　SPAD自從被提出以來，就以其極快的響應速度和極高的靈敏度等特性，成為弱光探測和高速成像研究領域的一個熱點技術。但是SPAD芯片實現大陣列的技術難點有很多，既包括器件物理層面的問題，例如提升小像素的光子探測效率(PDE)，也涵蓋電路設計和制造工藝方面的問題，例如TDC(時間-數字轉換器)、淬火電路設計、跨阻放大器、3D堆疊工藝。
 

　　汽車激光雷達將成為ToF市場的發力點
 

　　汽車激光雷達作為一種采用ToF原理的測距系統，其核心元器件包括光源、光束操縱元件和光電探測器。其中，光電探測器結合飛行時間測量電路(包括TDC、TIA等)可以將探測目標的距離信息由光信號轉換為電信號，以便汽車ADAS或自動駕駛系統理解外界環境狀況并及時操控駕駛行為。隨著激光雷達核心元器件采用半導體技術，成本不斷降低，而性能不斷優化，激光雷達也將從價格昂貴、模擬信號輸出、機械旋轉式的初始階段，逐漸過渡到價格親民、數字信號輸出、關鍵元件固態化的階段，勢必成為ToF市場的重要推動力量。
 

　　例如，Ouster采用獨特的數字技術、多光束閃光激光雷達架構，提供高分辨率、高可靠性、低成本的數字激光雷達，其核心芯片均是自主研發，包括一顆VCSEL陣列和一顆SPAD芯陣列；覽沃科技(Livox)發布的Horizon(浩界)高性能激光雷達采用具有六個敏感單元的APD線陣，其由日本濱松公司定制生產。
 

　　從激光雷達光電探測器的像元排列方式來看，可以分為單點式、線陣式和面陣式。機械旋轉式激光雷達主要采用單點雪崩光電二極管(APD)，隨著激光雷達固態化的發展，逐漸過渡到線陣式和面陣式光電探測器，如SPAD陣列。但SPAD陣列制造難度高，供應商稀缺，產業鏈尚未成熟。硅光電倍增管(SiPM)也面臨相似的問題，技術主要掌握在大廠手中(如濱松、安森美半導體)。我們也非常期待著芯視界、靈明光子、芯輝科技、飛芯電子等國內光電探測器創業公司盡早實現技術突破和產品量產！