怎么理解“ToF”一詞？

ToF（Time of Flight）本身是個(gè)相當(dāng)有趣的詞，它描述的是一種技術(shù)或者方法。通常ToF可被認(rèn)為是某一種3D感知/成像技術(shù)。這種技術(shù)的出現(xiàn)，遠(yuǎn)早于ToF一詞本身在市場(chǎng)上被眾人所知的時(shí)間。前幾年，手機(jī)前置光學(xué)模組中的距離感應(yīng)器開(kāi)始應(yīng)用ToF技術(shù)，手機(jī)后置攝像頭加入應(yīng)用了ToF技術(shù)的激光對(duì)焦模組，ToF這個(gè)詞在市場(chǎng)上的熱度還沒(méi)有太大。0SFesmc

《國(guó)際電子商情》姊妹平臺(tái)《電子工程專(zhuān)輯》在今年5月份發(fā)布的《消費(fèi)電子ToF技術(shù)與市場(chǎng)分析報(bào)告》中曾提到過(guò)，雖然當(dāng)前很多人在提到ToF時(shí)，首先想到的是ToF攝像頭，將其限定在一定發(fā)射能量級(jí)別，以及一定模組尺寸范圍內(nèi)；但ToF技術(shù)的應(yīng)用范圍，至少還覆蓋了超聲波、無(wú)線(xiàn)電波等十分廣泛的測(cè)距產(chǎn)品中。0SFesmc

從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，ToF作為存在于不同領(lǐng)域的測(cè)距或3D感知技術(shù)，普通的車(chē)載雷達(dá)、激光雷達(dá)，乃至一些聲納、UWB超寬頻定位追蹤裝置都可以認(rèn)為是ToF設(shè)備。但以當(dāng)前約定俗成的說(shuō)法，我們?cè)谡劦嚼走_(dá)這樣發(fā)射能量級(jí)遠(yuǎn)大于手機(jī)ToF攝像頭的設(shè)備時(shí)，經(jīng)常不將其劃歸為“ToF設(shè)備”。意法半導(dǎo)體大中華區(qū)及南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡在接受《國(guó)際電子商情》采訪(fǎng)時(shí)就曾表示：“激光雷達(dá)一般不與我們的ToF設(shè)備歸到同一類(lèi)。發(fā)射、接收這樣一類(lèi)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品太廣泛了。但其能量級(jí)別、有效角度、頻率等都不一樣。”0SFesmc

大部分市場(chǎng)參與者如英飛凌，也普遍在產(chǎn)品列表中將雷達(dá)傳感器與ToF圖像傳感器嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)。這種約定俗成也就讓ToF這個(gè)詞，擁有了相對(duì)狹義及廣義的不同市場(chǎng)范疇。在ToF作為一種產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí)，它便特指應(yīng)用了ToF光學(xué)測(cè)距技術(shù)，且發(fā)射能量級(jí)別相對(duì)偏弱的設(shè)備。恰好，當(dāng)前手機(jī)中應(yīng)用很廣的ToF攝像頭就符合這一屬性。0SFesmc

智能手機(jī)是ToF最大市場(chǎng)

循著這個(gè)狹義的定義，才好觀察當(dāng)前ToF市場(chǎng)的發(fā)展情況。不過(guò)在討論這個(gè)問(wèn)題之前，首先還是有必要搞清楚如今我們?cè)谡f(shuō)到ToF產(chǎn)品時(shí)，究竟在說(shuō)什么。要知道意法半導(dǎo)體在手機(jī)領(lǐng)域，就有廣闊的ToF傳感器市場(chǎng)。張程怡表示，過(guò)去5、6年間，意法半導(dǎo)體的ToF出貨量超過(guò)了10億，包括手機(jī)、平板、投影儀、機(jī)器人、閘機(jī)等。0SFesmc

早在2014年，手機(jī)前置距離傳感器面臨一波革命，手機(jī)的前置測(cè)距方案普遍開(kāi)始改用更復(fù)雜的ToF結(jié)構(gòu)：即包含了發(fā)射端和接收端，發(fā)射端主動(dòng)發(fā)出光子，在碰到場(chǎng)景中的障礙物時(shí)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(jì)算的無(wú)論是光的“飛行時(shí)間”還是相位差，這都是典型的ToF技術(shù)。0SFesmc

只不過(guò)這一時(shí)期的ToF技術(shù)還僅應(yīng)用于單點(diǎn)的光學(xué)測(cè)距：意法半導(dǎo)體的這10億出貨量，不僅有手機(jī)的前置距離傳感器，還有后置攝像頭的激光輔助對(duì)焦；另外也包括了智能家居中的應(yīng)用，典型如掃地機(jī)器人的避障；以及體驗(yàn)加強(qiáng)類(lèi)的應(yīng)用，像是閘機(jī)的靠近檢測(cè)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(shí)間變久了，我們就考慮做一個(gè)閱讀距離的檢測(cè)，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)屏幕使用電子設(shè)備就顯得很重要。”張程怡表示。ToF在單點(diǎn)光學(xué)測(cè)距市場(chǎng)現(xiàn)在的需求也依舊強(qiáng)勢(shì)。0SFesmc

但這種單點(diǎn)的光學(xué)測(cè)距和3D感知，仍然略有不同。3D感知可看作是光學(xué)測(cè)距從單點(diǎn)向多點(diǎn)的發(fā)展。而ToF技術(shù)在3D感知領(lǐng)域的應(yīng)用，才是近兩年ToF一詞真正火熱的原因。以意法半導(dǎo)體10億ToF模組出貨量為代表的市場(chǎng)實(shí)則已經(jīng)在數(shù)年的發(fā)展中相對(duì)成熟，但它和我們探討的3D ToF并不具有太大的相關(guān)性。0SFesmc

帶動(dòng)3D感知這個(gè)大類(lèi)技術(shù)名聲大噪的，是蘋(píng)果的Face ID面部識(shí)別技術(shù)。不過(guò)Face ID應(yīng)用的是結(jié)構(gòu)光。華為、LG、vivo等廠(chǎng)商為了追上3D面部識(shí)別的步伐，為自家智能手機(jī)選擇的3D感知技術(shù)皆為T(mén)oF。此后應(yīng)用于3D感知的ToF產(chǎn)業(yè)鏈便開(kāi)始了一路高歌猛進(jìn)。0SFesmc

從Yole Developpement的數(shù)據(jù)來(lái)看，2017年3D感知市場(chǎng)的應(yīng)用主力仍然是工業(yè)和商用，占到當(dāng)時(shí)整個(gè)市場(chǎng)的38.1%；但預(yù)計(jì)到2023年，不僅3D感知市場(chǎng)規(guī)模會(huì)以44%的年復(fù)合增長(zhǎng)率大幅攀升，而且消費(fèi)市場(chǎng)將一躍成為3D感知的絕對(duì)主力。0SFesmc

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圖1，來(lái)源：Yole Developpement0SFesmc

在今年針對(duì)3D感知的報(bào)告中，Yole Developpement對(duì)這一市場(chǎng)數(shù)據(jù)做了一些修正（圖1）：2019年，3D感知市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為50億美元，2025年大約達(dá)到150億美元：手機(jī)和汽車(chē)成為其中最重要的應(yīng)用場(chǎng)景，分別占到整個(gè)3D感知市場(chǎng)的54%與25%（這里的汽車(chē)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(yīng)用在整個(gè)市場(chǎng)上的占比預(yù)計(jì)收縮至11%。0SFesmc

此處數(shù)據(jù)呈現(xiàn)需要在意幾個(gè)問(wèn)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(shù)還包括立體視覺(jué)、結(jié)構(gòu)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(yīng)用在單點(diǎn)光學(xué)測(cè)距中的ToF模組。0SFesmc

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圖2，來(lái)源：IHS Markit0SFesmc

當(dāng)前已有對(duì)于ToF市場(chǎng)的單獨(dú)統(tǒng)計(jì)并不多，但我們依然可以從其他維度來(lái)觀察這一市場(chǎng)。IHS Markit預(yù)測(cè)2019年，3D光學(xué)傳感器市場(chǎng)，ToF傳感器市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)5億美元；而近兩年ToF圖像傳感器在其中的占比正越來(lái)越高（圖2）。考慮到立體視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光方案在3D感應(yīng)技術(shù)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(shù)的相當(dāng)分量。[!--empirenews.page--]0SFesmc

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圖3，來(lái)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(yīng)用市場(chǎng)的份額情況（詳見(jiàn)圖3）。顯然手機(jī)以明顯更大的占比，成為3D ToF應(yīng)用市場(chǎng)上的最大組成部分。0SFesmc

從這些數(shù)據(jù)來(lái)看，3D感知市場(chǎng)目前仍然處在高速發(fā)展期，尤其是消費(fèi)電子與汽車(chē)領(lǐng)域。ToF即是受惠于這一趨勢(shì)的發(fā)展主力。而在3D ToF領(lǐng)域賺大錢(qián)的，顯然都是在手機(jī)中部署ToF組件的那些市場(chǎng)參與者。但這一市場(chǎng)的當(dāng)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(gè)階段：這一點(diǎn)可從市場(chǎng)參與者的競(jìng)爭(zhēng)，與技術(shù)趨勢(shì)上做探討。0SFesmc

市場(chǎng)參與者愈發(fā)活躍

一個(gè)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(jī)ToF模組剖面圖）。0SFesmc

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圖4，來(lái)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(yīng)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(kuò)散器）——這是一種光學(xué)器件，供應(yīng)商包括有PRC、舜宇光學(xué)、Viavi Solution、菲尼薩等。0SFesmc

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

當(dāng)然還有將ToF所有組件構(gòu)成模組和解決方案的廠(chǎng)商，典型如索尼、意法半導(dǎo)體、英飛凌/pmd等。0SFesmc

從3D感知以及ToF市場(chǎng)參與者的動(dòng)作來(lái)看，這個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也正趨于激烈。以VCSEL組件為例，2019年菲尼薩被II-VI收購(gòu)；Philips Photonics被TRUMPF收購(gòu)；ams拿下了歐司朗（OSRAM）。其中TRUMPF和ams都開(kāi)始向手機(jī)產(chǎn)品提供用于3D感知的VCSEL。加上ToF模組的發(fā)射端技術(shù)要求比結(jié)構(gòu)光更低，中國(guó)國(guó)產(chǎn)VCSEL供應(yīng)商相繼入市。華為旗艦手機(jī)后置ToF攝像頭的VCSEL激光器供應(yīng)商名單中就出現(xiàn)了國(guó)內(nèi)的縱慧芯光。預(yù)計(jì)在ToF模組的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商的參與度還將持續(xù)提高。0SFesmc

3D ToF技術(shù)核心所在的圖像傳感器，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)并無(wú)涉足。索尼2015年收購(gòu)SoftKinetic，并推出DepthSense ToF感知技術(shù)。于此，索尼很快在智能手機(jī)市場(chǎng)成為最大的ToF傳感器與解決方案供應(yīng)商：華為、三星近兩年的旗艦機(jī)都在用索尼的DepthSense方案。0SFesmc

從Yole Developpement的數(shù)據(jù)來(lái)看，2019年索尼在3D感知接收端芯片上的市場(chǎng)份額已經(jīng)一躍達(dá)到了45%。預(yù)期在ToF領(lǐng)域，索尼極有可能延續(xù)其強(qiáng)勢(shì)地位。但這個(gè)市場(chǎng)仍有更多競(jìng)爭(zhēng)者蓄勢(shì)待發(fā)，分析師預(yù)計(jì)三星和意法半導(dǎo)體很快就會(huì)引入iToF傳感器方案，與索尼展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。0SFesmc

而英飛凌/pmd作為這一市場(chǎng)的主要競(jìng)爭(zhēng)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(mén)總監(jiān)麥正奇就表示，“智能手機(jī)是ToF傳感器非常吸引人的一個(gè)應(yīng)用”，英飛凌的技術(shù)“已涵蓋諸多有助于改善消費(fèi)者的手機(jī)生活的關(guān)鍵功能，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、漸變以及照片美化（如bokeh）”。雖然手機(jī)并非英飛凌ToF技術(shù)的唯一應(yīng)用方向，卻也是重要市場(chǎng)方向。0SFesmc

iToF與dToF之爭(zhēng)

手機(jī)市場(chǎng)對(duì)3D ToF技術(shù)的需求量提升是不難理解的。如果單純只說(shuō)3D攝像頭，那么手機(jī)應(yīng)用前置3D攝像頭從2017年開(kāi)始爆發(fā)；而手機(jī)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(duì)于智能手機(jī)的市場(chǎng)滲透達(dá)到了將近10%，首次超過(guò)了前置3D攝像頭的市場(chǎng)滲透率。0SFesmc

前置與后置3D攝像頭的市場(chǎng)增長(zhǎng)呈現(xiàn)出剪刀差的趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2025年，70%的智能手機(jī)都會(huì)應(yīng)用3D攝像頭（包括前置與后置）。這也應(yīng)當(dāng)是ToF攝像頭的主要市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)。這一市場(chǎng)預(yù)計(jì)在未來(lái)5年內(nèi)都會(huì)蓬勃發(fā)展。0SFesmc

不過(guò)在ToF更具體的實(shí)施技術(shù)趨勢(shì)上，2020年也可能成為一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因?yàn)榻衲晏O(píng)果iPad Pro 2020面世了。這款平板設(shè)備的后攝采用dToF（Direct ToF）方案，這與當(dāng)前華為、三星、LG這些OEM廠(chǎng)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(yīng)商，實(shí)施方案主流也仍是iToF。0SFesmc

原本市場(chǎng)普遍認(rèn)為，dToF的3D感知方案并不適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，因?yàn)槠涑杀靖?，?shí)施難度更大，尤其高像素實(shí)現(xiàn)在dToF方法上并不簡(jiǎn)單。但蘋(píng)果卻在平板產(chǎn)品上采用了這種方案，且從TechInsights的拆解來(lái)看，這枚dToF傳感器來(lái)自索尼，單像素尺寸10μm，分辨率達(dá)到了3萬(wàn)像素——這個(gè)像素?cái)?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(wàn)像素），2D精度也遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)光——但這在面向消費(fèi)電子的dToF產(chǎn)品中已經(jīng)是十分重要的邁進(jìn)了。[!--empirenews.page--]0SFesmc

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圖5，來(lái)源：System Plus Consulting0SFesmc

從System Plus Consulting公開(kāi)的數(shù)據(jù)來(lái)看，iPad Pro 2020的這枚dToF傳感器設(shè)計(jì)看起來(lái)很像更早的iToF設(shè)計(jì)，但它的確采用了SPAD陣列（單光子雪崩二極管）。有關(guān)SPAD技術(shù)，我們?cè)凇断M(fèi)電子ToF技術(shù)與市場(chǎng)分析報(bào)告》中已經(jīng)給出更具體的介紹，簡(jiǎn)單地說(shuō)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(jié)構(gòu)：上方的CIS與下方的邏輯電路，采用DBI（Direct Bond Interconnect）技術(shù)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(jiàn)。SPAD光電探測(cè)器一直以來(lái)是意法半導(dǎo)體的主場(chǎng)，前文提及單點(diǎn)光學(xué)測(cè)距用的都是dToF方法與SPAD傳感器。意法半導(dǎo)體也正準(zhǔn)備將SPAD應(yīng)用于多點(diǎn)的3D感知。那么這個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)變數(shù)大約還有很多。0SFesmc

以蘋(píng)果在消費(fèi)電子領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)權(quán)，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(lái)看，未來(lái)的智能終端設(shè)備在3D感知方面更多的采用dToF也極有可能成為趨勢(shì)，而非現(xiàn)在這樣在消費(fèi)電子產(chǎn)品的3D感知上，iToF仍是主流。蘋(píng)果的這一決策也很大程度為意法半導(dǎo)體開(kāi)辟了未來(lái)市場(chǎng)。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(jià)值；而dToF產(chǎn)品又面向蘋(píng)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(xiàng)業(yè)務(wù)可產(chǎn)生的市場(chǎng)價(jià)值是不可限量的。0SFesmc

但英飛凌/pmd這類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(fèi)電子市場(chǎng)上的3D ToF實(shí)施方案當(dāng)前也正走在一個(gè)技術(shù)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(jī)市場(chǎng)上就已經(jīng)不多見(jiàn)了——這是ADI、松下的技術(shù)方案，如今ADI在ToF技術(shù)的注意力上已經(jīng)不再偏手機(jī)產(chǎn)品。這種技術(shù)趨勢(shì)選擇，也是一項(xiàng)技術(shù)走向成熟的必由之路。0SFesmc

綜上所述，在市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)張方面，在市場(chǎng)參與者的競(jìng)爭(zhēng)方面，乃至在技術(shù)方向的趨勢(shì)方面，3D ToF都處在一個(gè)高速發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)激烈且異常關(guān)鍵的時(shí)刻。未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，這一市場(chǎng)預(yù)計(jì)還會(huì)產(chǎn)生很大的變化，尤其是市場(chǎng)參與者選擇的應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)方法賽道。ToF乃至3D感知市場(chǎng)進(jìn)入白熱化競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)箭在弦上。0SFesmc

本文為《國(guó)際電子商情》2020年8月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費(fèi)雜志訂閱申請(qǐng)點(diǎn)擊 這里0SFesmc

英飛凌9月7-11日電源與傳感系統(tǒng)云端大會(huì)，2岸3地，12場(chǎng)分享，大咖親臨，深度解答，點(diǎn)擊了解詳情0SFesmc