怎么理解“ToF”一詞？

ToF（Time of Flight）本身是個相當有趣的詞，它描述的是一種技術或者方法。通常ToF可被認為是某一種3D感知/成像技術。這種技術的出現(xiàn)，遠早于ToF一詞本身在市場上被眾人所知的時間。前幾年，手機前置光學模組中的距離感應器開始應用ToF技術，手機后置攝像頭加入應用了ToF技術的激光對焦模組，ToF這個詞在市場上的熱度還沒有太大。0SFesmc

《國際電子商情》姊妹平臺《電子工程專輯》在今年5月份發(fā)布的《消費電子ToF技術與市場分析報告》中曾提到過，雖然當前很多人在提到ToF時，首先想到的是ToF攝像頭，將其限定在一定發(fā)射能量級別，以及一定模組尺寸范圍內(nèi)；但ToF技術的應用范圍，至少還覆蓋了超聲波、無線電波等十分廣泛的測距產(chǎn)品中。0SFesmc

從這個意義上來說，ToF作為存在于不同領域的測距或3D感知技術，普通的車載雷達、激光雷達，乃至一些聲納、UWB超寬頻定位追蹤裝置都可以認為是ToF設備。但以當前約定俗成的說法，我們在談到雷達這樣發(fā)射能量級遠大于手機ToF攝像頭的設備時，經(jīng)常不將其劃歸為“ToF設備”。意法半導體大中華區(qū)及南亞區(qū)影像事業(yè)部技術市場經(jīng)理張程怡在接受《國際電子商情》采訪時就曾表示：“激光雷達一般不與我們的ToF設備歸到同一類。發(fā)射、接收這樣一類技術應用的產(chǎn)品太廣泛了。但其能量級別、有效角度、頻率等都不一樣。”0SFesmc

大部分市場參與者如英飛凌，也普遍在產(chǎn)品列表中將雷達傳感器與ToF圖像傳感器嚴格區(qū)分開。這種約定俗成也就讓ToF這個詞，擁有了相對狹義及廣義的不同市場范疇。在ToF作為一種產(chǎn)品出現(xiàn)時，它便特指應用了ToF光學測距技術，且發(fā)射能量級別相對偏弱的設備。恰好，當前手機中應用很廣的ToF攝像頭就符合這一屬性。0SFesmc

智能手機是ToF最大市場

循著這個狹義的定義，才好觀察當前ToF市場的發(fā)展情況。不過在討論這個問題之前，首先還是有必要搞清楚如今我們在說到ToF產(chǎn)品時，究竟在說什么。要知道意法半導體在手機領域，就有廣闊的ToF傳感器市場。張程怡表示，過去5、6年間，意法半導體的ToF出貨量超過了10億，包括手機、平板、投影儀、機器人、閘機等。0SFesmc

早在2014年，手機前置距離傳感器面臨一波革命，手機的前置測距方案普遍開始改用更復雜的ToF結構：即包含了發(fā)射端和接收端，發(fā)射端主動發(fā)出光子，在碰到場景中的障礙物時返回，并由接收端接收。此間不管發(fā)出的是脈沖還是調(diào)制連續(xù)波，計算的無論是光的“飛行時間”還是相位差，這都是典型的ToF技術。0SFesmc

只不過這一時期的ToF技術還僅應用于單點的光學測距：意法半導體的這10億出貨量，不僅有手機的前置距離傳感器，還有后置攝像頭的激光輔助對焦；另外也包括了智能家居中的應用，典型如掃地機器人的避障；以及體驗加強類的應用，像是閘機的靠近檢測等。0SFesmc

甚至在新冠疫情期間，“我們觀察到，孩子在家中使用平板時間變久了，我們就考慮做一個閱讀距離的檢測，這對長時間面對屏幕使用電子設備就顯得很重要。”張程怡表示。ToF在單點光學測距市場現(xiàn)在的需求也依舊強勢。0SFesmc

但這種單點的光學測距和3D感知，仍然略有不同。3D感知可看作是光學測距從單點向多點的發(fā)展。而ToF技術在3D感知領域的應用，才是近兩年ToF一詞真正火熱的原因。以意法半導體10億ToF模組出貨量為代表的市場實則已經(jīng)在數(shù)年的發(fā)展中相對成熟，但它和我們探討的3D ToF并不具有太大的相關性。0SFesmc

帶動3D感知這個大類技術名聲大噪的，是蘋果的Face ID面部識別技術。不過Face ID應用的是結構光。華為、LG、vivo等廠商為了追上3D面部識別的步伐，為自家智能手機選擇的3D感知技術皆為ToF。此后應用于3D感知的ToF產(chǎn)業(yè)鏈便開始了一路高歌猛進。0SFesmc

從Yole Developpement的數(shù)據(jù)來看，2017年3D感知市場的應用主力仍然是工業(yè)和商用，占到當時整個市場的38.1%；但預計到2023年，不僅3D感知市場規(guī)模會以44%的年復合增長率大幅攀升，而且消費市場將一躍成為3D感知的絕對主力。0SFesmc

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圖1，來源：Yole Developpement0SFesmc

在今年針對3D感知的報告中，Yole Developpement對這一市場數(shù)據(jù)做了一些修正（圖1）：2019年，3D感知市場規(guī)模預計為50億美元，2025年大約達到150億美元：手機和汽車成為其中最重要的應用場景，分別占到整個3D感知市場的54%與25%（這里的汽車3D感知，主要指智能駕駛艙內(nèi)部的感知系統(tǒng)，而非外部ADAS）；而工業(yè)應用在整個市場上的占比預計收縮至11%。0SFesmc

此處數(shù)據(jù)呈現(xiàn)需要在意幾個問題：第一，這里的3D感知并非僅限ToF，3D感知與成像的主流技術還包括立體視覺、結構光、聚焦合成等。第二，這里的ToF特指3D感知的ToF，而不包含前述應用在單點光學測距中的ToF模組。0SFesmc

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圖2，來源：IHS Markit0SFesmc

當前已有對于ToF市場的單獨統(tǒng)計并不多，但我們依然可以從其他維度來觀察這一市場。IHS Markit預測2019年，3D光學傳感器市場，ToF傳感器市場規(guī)模超過5億美元；而近兩年ToF圖像傳感器在其中的占比正越來越高（圖2）?？紤]到立體視覺、結構光方案在3D感應技術中仍是主流，ToF傳感器可在其中分得半壁江山，已經(jīng)體現(xiàn)出ToF技術的相當分量。[!--empirenews.page--]0SFesmc

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圖3，來源：IHS Markit0SFesmc

IHS Markit的另一份數(shù)據(jù)則切分了ToF傳感器在不同應用市場的份額情況（詳見圖3）。顯然手機以明顯更大的占比，成為3D ToF應用市場上的最大組成部分。0SFesmc

從這些數(shù)據(jù)來看，3D感知市場目前仍然處在高速發(fā)展期，尤其是消費電子與汽車領域。ToF即是受惠于這一趨勢的發(fā)展主力。而在3D ToF領域賺大錢的，顯然都是在手機中部署ToF組件的那些市場參與者。但這一市場的當前發(fā)展階段，更偏向于混戰(zhàn)期靠后——即步入成熟期的前一個階段：這一點可從市場參與者的競爭，與技術趨勢上做探討。0SFesmc

市場參與者愈發(fā)活躍

一個典型的ToF模組主要分成發(fā)射端和接收端兩部分（圖4，Galaxy Note 10+手機ToF模組剖面圖）。0SFesmc

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圖4，來源：System Plus Consulting0SFesmc

發(fā)射端的核心是發(fā)光單元，以VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）為主，供應商包括有Lumentum、ams、縱慧芯光（Vertilite）、菲尼薩（Finisar）等；發(fā)射端的核心組成部分，還包括了VCSEL光源前方的diffuser（擴散器）——這是一種光學器件，供應商包括有PRC、舜宇光學、Viavi Solution、菲尼薩等。0SFesmc

接收端的核心器件即常說的ToF圖像傳感器，主要供應商包括英飛凌/pmd、意法半導體、松下、ams、索尼等。通常我們認為，ToF圖像傳感器是整個ToF模組中相對最具有技術含量的部分（ToF模組的發(fā)射端在技術要求上是小于結構光技術的，而接收端則相反）。接收端的光學器件還包括了傳感器前方的一枚窄帶濾光片，供應商大致上就是Viavi Solutions和水晶光電；另外還有用于光線匯聚的鏡組，供應商包括舜宇光學、歐菲光、瑞聲科技、大立光、玉晶光等。0SFesmc

當然還有將ToF所有組件構成模組和解決方案的廠商，典型如索尼、意法半導體、英飛凌/pmd等。0SFesmc

從3D感知以及ToF市場參與者的動作來看，這個市場的競爭也正趨于激烈。以VCSEL組件為例，2019年菲尼薩被II-VI收購；Philips Photonics被TRUMPF收購；ams拿下了歐司朗（OSRAM）。其中TRUMPF和ams都開始向手機產(chǎn)品提供用于3D感知的VCSEL。加上ToF模組的發(fā)射端技術要求比結構光更低，中國國產(chǎn)VCSEL供應商相繼入市。華為旗艦手機后置ToF攝像頭的VCSEL激光器供應商名單中就出現(xiàn)了國內(nèi)的縱慧芯光。預計在ToF模組的整個產(chǎn)業(yè)鏈上，國產(chǎn)廠商的參與度還將持續(xù)提高。0SFesmc

3D ToF技術核心所在的圖像傳感器，在市場競爭上也正在加劇。索尼雖是傳統(tǒng)CIS圖像傳感器制造商，但原本在ToF市場并無涉足。索尼2015年收購SoftKinetic，并推出DepthSense ToF感知技術。于此，索尼很快在智能手機市場成為最大的ToF傳感器與解決方案供應商：華為、三星近兩年的旗艦機都在用索尼的DepthSense方案。0SFesmc

從Yole Developpement的數(shù)據(jù)來看，2019年索尼在3D感知接收端芯片上的市場份額已經(jīng)一躍達到了45%。預期在ToF領域，索尼極有可能延續(xù)其強勢地位。但這個市場仍有更多競爭者蓄勢待發(fā)，分析師預計三星和意法半導體很快就會引入iToF傳感器方案，與索尼展開競爭。0SFesmc

而英飛凌/pmd作為這一市場的主要競爭者，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)射頻及傳感器部門總監(jiān)麥正奇就表示，“智能手機是ToF傳感器非常吸引人的一個應用”，英飛凌的技術“已涵蓋諸多有助于改善消費者的手機生活的關鍵功能，如增強現(xiàn)實、漸變以及照片美化（如bokeh）”。雖然手機并非英飛凌ToF技術的唯一應用方向，卻也是重要市場方向。0SFesmc

iToF與dToF之爭

手機市場對3D ToF技術的需求量提升是不難理解的。如果單純只說3D攝像頭，那么手機應用前置3D攝像頭從2017年開始爆發(fā)；而手機后置3D攝像頭的爆發(fā)則始于2018年。到2019年年末，后置3D攝像頭對于智能手機的市場滲透達到了將近10%，首次超過了前置3D攝像頭的市場滲透率。0SFesmc

前置與后置3D攝像頭的市場增長呈現(xiàn)出剪刀差的趨勢，預計到2025年，70%的智能手機都會應用3D攝像頭（包括前置與后置）。這也應當是ToF攝像頭的主要市場增長點。這一市場預計在未來5年內(nèi)都會蓬勃發(fā)展。0SFesmc

不過在ToF更具體的實施技術趨勢上，2020年也可能成為一個重要轉折點。因為今年蘋果iPad Pro 2020面世了。這款平板設備的后攝采用dToF（Direct ToF）方案，這與當前華為、三星、LG這些OEM廠商普遍采用的iToF方案存在較大差異。索尼、英飛凌/pmd這些主要的ToF模組與ToF傳感器供應商，實施方案主流也仍是iToF。0SFesmc

原本市場普遍認為，dToF的3D感知方案并不適用于消費電子產(chǎn)品，因為其成本更高，實施難度更大，尤其高像素實現(xiàn)在dToF方法上并不簡單。但蘋果卻在平板產(chǎn)品上采用了這種方案，且從TechInsights的拆解來看，這枚dToF傳感器來自索尼，單像素尺寸10μm，分辨率達到了3萬像素——這個像素數(shù)量雖然和iToF方案的高像素產(chǎn)品還不能比（如索尼自己的iToF方案，IMX556分辨率為30萬像素），2D精度也遠低于結構光——但這在面向消費電子的dToF產(chǎn)品中已經(jīng)是十分重要的邁進了。[!--empirenews.page--]0SFesmc

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圖5，來源：System Plus Consulting0SFesmc

從System Plus Consulting公開的數(shù)據(jù)來看，iPad Pro 2020的這枚dToF傳感器設計看起來很像更早的iToF設計，但它的確采用了SPAD陣列（單光子雪崩二極管）。有關SPAD技術，我們在《消費電子ToF技術與市場分析報告》中已經(jīng)給出更具體的介紹，簡單地說這是一種相比傳統(tǒng)光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)量子倍增、單光生載流子即觸發(fā)大量雪崩電流的器件。0SFesmc

從這枚芯片的剖面圖（圖5），就能看出帶像素內(nèi)連接（in-pixel connection）的結構：上方的CIS與下方的邏輯電路，采用DBI（Direct Bond Interconnect）技術做像素內(nèi)互聯(lián)——這種3D堆疊方案在以往的索尼傳統(tǒng)CIS上并不少見。SPAD光電探測器一直以來是意法半導體的主場，前文提及單點光學測距用的都是dToF方法與SPAD傳感器。意法半導體也正準備將SPAD應用于多點的3D感知。那么這個市場的競爭變數(shù)大約還有很多。0SFesmc

以蘋果在消費電子領域的話語權，以及dToF本身雖然成本更高，但在效果上或產(chǎn)生更高收益這一特性來看，未來的智能終端設備在3D感知方面更多的采用dToF也極有可能成為趨勢，而非現(xiàn)在這樣在消費電子產(chǎn)品的3D感知上，iToF仍是主流。蘋果的這一決策也很大程度為意法半導體開辟了未來市場。0SFesmc

值得一提的是，索尼的iToF產(chǎn)品去年面向華為、三星出貨，訂單產(chǎn)生了3億美元的價值；而dToF產(chǎn)品又面向蘋果出售，且極有可能今年的iPhone 12搭載像iPad Pro 2020那樣的dToF模組，索尼的這項業(yè)務可產(chǎn)生的市場價值是不可限量的。0SFesmc

但英飛凌/pmd這類競爭對手在iToF模組上的持續(xù)發(fā)力，外加三星極有可能在今年加入iToF戰(zhàn)局。消費電子市場上的3D ToF實施方案當前也正走在一個技術抉擇的路口。更早如vivo NEX雙屏版所用的p-iToF方法（pulse-based iToF，基于脈沖的iToF方法）在手機市場上就已經(jīng)不多見了——這是ADI、松下的技術方案，如今ADI在ToF技術的注意力上已經(jīng)不再偏手機產(chǎn)品。這種技術趨勢選擇，也是一項技術走向成熟的必由之路。0SFesmc

綜上所述，在市場規(guī)模的擴張方面，在市場參與者的競爭方面，乃至在技術方向的趨勢方面，3D ToF都處在一個高速發(fā)展、競爭激烈且異常關鍵的時刻。未來一段時間內(nèi)，這一市場預計還會產(chǎn)生很大的變化，尤其是市場參與者選擇的應用領域及技術方法賽道。ToF乃至3D感知市場進入白熱化競爭已經(jīng)箭在弦上。0SFesmc

本文為《國際電子商情》2020年8月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊 這里0SFesmc

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