隨著iPhone X上市，Apple為消費領(lǐng)域的3D傳感技術(shù)和使用帶動新趨勢。Android手機(jī)制造商即另辟蹊徑，以ToF技術(shù)取代結(jié)構(gòu)光。如今，ToF正在重塑3D傳感模組的價值…

根據(jù)市場研究公司Yole Développement的最新調(diào)查顯示，全球3D成像與傳感市場將以20%的年均復(fù)合成長率(CAGR)從2019年的50億美元成長至2025年達(dá)到150億美元。

自2017年9月iPhone X上市后，蘋果(Apple)在消費領(lǐng)域為3D傳感設(shè)立了技術(shù)與用例標(biāo)準(zhǔn)。兩年后，Android手機(jī)制造商另辟蹊徑，采用飛時測距(ToF)相機(jī)取代結(jié)構(gòu)光，并將其置于手機(jī)背面。

Yole光電、傳感與顯示業(yè)務(wù)技術(shù)與市場分析師Richard Liu補(bǔ)充道：“相較于結(jié)構(gòu)光，ToF模組在發(fā)射端只需一個垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)和一個擴(kuò)散片，降低了復(fù)雜性。藉由背照式(BSI)感光技術(shù)，ToF傳感現(xiàn)在已有了大幅改善。成熟的生態(tài)系統(tǒng)也為他們帶來了成本優(yōu)勢。這就是ToF之所以能贏得Android手機(jī)廠商青睞的主要原因。”

毫無疑問，3D傳感的主要趨勢是從手機(jī)前部到后部的轉(zhuǎn)變以及ToF相機(jī)的大量采用。 Yole在其年度成像技術(shù)與市場分析《3D成像與傳感》報告中指出，后置將超過前置，其市場滲透率將在 2025年達(dá)到近42%。

3D后置傳感應(yīng)用多元化

移動設(shè)備上的3D后置傳感技術(shù)應(yīng)該增加應(yīng)用用例的多樣性。它最初被用于照相，以提高散景(bokeh)和變焦性能，現(xiàn)在將擴(kuò)展到擴(kuò)增實境(AR)和游戲領(lǐng)域。除了智能手機(jī)，ToF相機(jī)模組面前還有著廣闊的應(yīng)用市場，包括自動駕駛、機(jī)器人、智能家居、智能電視、智能監(jiān)控和VR/AR等。目前ToF傳感技術(shù)在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用仍然處于起步階段。

3D傳感市場的重要性意味著從成像到傳感的轉(zhuǎn)變正在發(fā)生。由人工智能(AI)驅(qū)動的設(shè)備和機(jī)器人開始對其周圍環(huán)境更加了解，并發(fā)展出更深層次的人機(jī)互動。用于先進(jìn)駕駛助系統(tǒng)(ADAS)的立體相機(jī)就是3D成像與傳感技術(shù)備受期待的應(yīng)用之一。

Liu解釋，“目前已有許多供應(yīng)商聚焦于這項應(yīng)用中最重要的元件——光達(dá)。市場上也有大量可供選擇的LiDAR技術(shù)，使得這一領(lǐng)域競爭日趨激烈。”

除了車用ADAS，物流業(yè)中的工業(yè)自動導(dǎo)引車(AGV)以及商業(yè)領(lǐng)域中的臉部辨識和刷臉支付也都十分成功。 3D傳感技術(shù)就這樣變得越來越無處不在。包括全域快門圖像傳感器、VCSEL、射出成型以及玻璃光纖、繞射光學(xué)元件(DOE)和半導(dǎo)體封裝技術(shù)等供應(yīng)商們正從中獲益。

與結(jié)構(gòu)光方案相比，ToF方案的復(fù)雜度較低，在發(fā)射端僅需要垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和擴(kuò)散片（diffuser）。由于采用背照式（BSI）技術(shù)，ToF圖像傳感器現(xiàn)在有了很大的改進(jìn)。在成熟的3D視覺生態(tài)系統(tǒng)中，ToF方案也擁有成本優(yōu)勢。這些是ToF贏得安卓智能手機(jī)廠商青睞的主要原因。

3D成像和傳感技術(shù)在智能手機(jī)中的應(yīng)用

智能手機(jī)的后置3D傳感應(yīng)用案例已經(jīng)顯現(xiàn)，并成為新一輪增長驅(qū)動。首先是攝影應(yīng)用，以增強(qiáng)散景（bokeh）和變焦能力，其次是增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）應(yīng)用及游戲。除智能手機(jī)之外，ToF方案在智能駕駛、機(jī)器人、智能家居、智能電視、智慧安防等領(lǐng)域都擁有廣闊的發(fā)展前景。目前，ToF技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。

Yole預(yù)計全球3D成像和傳感市場將從2019年的50億美元增長到2025年的150億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）為20%。3D視覺市場的重要性意味著從成像到傳感的演變正在我們眼前發(fā)生。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)驅(qū)動的設(shè)備和機(jī)器人對周圍環(huán)境有更深入的理解，并發(fā)展到與人類互動的新水平。高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛汽車是備受期待的3D成像和傳感應(yīng)用，而激光雷達(dá)（LiDAR）則是這項應(yīng)用的重要傳感組件，正在被大量的廠商關(guān)注。激光雷達(dá)的技術(shù)路線多樣，創(chuàng)新企業(yè)也不斷涌現(xiàn)。

3D成像和傳感市場預(yù)測（2019~2025年）

此外，物流行業(yè)的自動引導(dǎo)車（AGV），以及商業(yè)領(lǐng)域的3D人臉識別和人臉支付也都非常成功。可見，3D傳感技術(shù)正快速走向普及的道路。因此，3D傳感核心元器件，如近紅外圖像傳感器、VCSEL、濾光片、擴(kuò)散片和衍射光學(xué)元件（DOE）、注塑和玻璃光學(xué)器件等，都將從中受益。本報告為您提供有關(guān)3D成像和傳感市場及技術(shù)的真知灼見。

3D攝像頭模組核心元器件（雙目立體視覺 vs. 飛行時間法 vs. 結(jié)構(gòu)光）

ToF重塑3D傳感模組價值

那么，ToF的應(yīng)用對于供應(yīng)鏈有何影響？

Yole成像業(yè)務(wù)總分析師Pierre Cambou指出，“移動設(shè)備3D傳感供應(yīng)鏈正快速變化中。就像2017年結(jié)構(gòu)光技術(shù)被導(dǎo)入iPhone一樣，包括Lumentum、艾邁斯(ams)和意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics )贏得了第一輪。接下來，Princeton Optronics (ams旗下子公司)和Finisar已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)軍VCSEL市場，因此市場確實很快就會充滿競爭。”

2019年，工程材料和光電元件供應(yīng)商II-VI Incorporated收購了Finisar，并協(xié)助其鞏固了現(xiàn)有的工業(yè)業(yè)務(wù)。在此期間，還另外發(fā)生了幾起大型并購案，如Philips Photonics被創(chuàng)浦(Trumpf)收購，ams買下歐司朗(OSRAM)。 Trumpf和ams正積極向Android陣營的3D相機(jī)供應(yīng)鏈邁進(jìn)，分別為三星(Samsung)和華為(Huawei)提供VCSEL。

此外，還有另一家中國公司也正進(jìn)軍3D傳感生態(tài)系統(tǒng)：用于ToF的泛光發(fā)射器之VCSEL輸出光束無需編碼，因此更容易產(chǎn)生。這有助于中國供應(yīng)商縱慧芯光(Vertilite)加入該市場，同時還贏得了華為的2019年3D傳感器訂單。此舉也受到在中美貿(mào)易沖突期間中國培養(yǎng)當(dāng)?shù)毓?yīng)鏈的政策推動。

對于移動設(shè)備后置3D傳感來說，ToF陣列是關(guān)鍵的元件。 ToF相機(jī)技術(shù)在201年首先應(yīng)用于Phab 2 Pro智能手機(jī)，它采用的是pmd和英飛凌(Infineon Technologies)兩家公司的ToF陣列。在此之前一年，Sony買下了比利時手勢辨識公司SoftKinetic，取得其知名的DepthSense ToF傳感系統(tǒng)。到2019年ToF相機(jī)模組起飛之時，此舉已讓Sony在3D傳感接收器芯片市場的占有率從零攀升至45%。憑借其強(qiáng)勁的技術(shù)實力和供應(yīng)產(chǎn)能，預(yù)計Sony將保持其于ToF領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

然而，由于CMOS圖像傳感器(CIS)芯片制造業(yè)一直競爭不斷，這一領(lǐng)域的競爭也將隨之加劇。 pmd則與英飛凌聯(lián)手推出一款可以與之匹配的芯片。 Yole分析師預(yù)計CIS巨擘三星和意法半導(dǎo)體將在今年各自推出間接ToF陣列傳感器。三星已在其Galaxy Note 10+中采用了ToF技術(shù)。 System Plus Consulting已在其反向工程與成本分析報告《三星Galaxy Note 10+ 3D飛時測距技術(shù)深度傳感相機(jī)模組》一文中對其進(jìn)行了深入分析。

ToF技術(shù)正在提升3D傳感模組的價值，出貨量快速增長

在消費電子領(lǐng)域中，智能手機(jī)廠商正迅速制定自己的3D傳感策略。預(yù)計蘋果將在2020年的iPad Pro甚至iPhone中使用后置ToF攝像頭，而前置3D人臉識別攝像頭仍可能使用結(jié)構(gòu)光方案。Yole還預(yù)計蘋果可能會使用定制版CMOS圖像傳感器，將手機(jī)視覺擴(kuò)展到人眼功能之外，以實現(xiàn)AR導(dǎo)航等功能。蘋果的加入將加快ToF技術(shù)在安卓智能手機(jī)中的滲透速度，因此業(yè)界普遍樂觀地認(rèn)為，2020年將有更多集成ToF攝像頭的產(chǎn)品落地。本報告預(yù)測2020年集成ToF功能的智能手機(jī)出貨量將達(dá)到1.73億部。

智能手機(jī)前置和后置3D攝像頭模組的技術(shù)演進(jìn)

5G時代推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的同時，各種智能設(shè)備對3D成像和傳感的需求也在增加。ToF憑借其成本優(yōu)勢和出色的實時感知能力，將成為主流的3D視覺方案。特別是在AR和VR應(yīng)用中，對避免眩暈的時間延遲有很高的要求，這意味著ToF是最適合的空間定位技術(shù)。在汽車應(yīng)用中，ToF技術(shù)可實現(xiàn)手勢識別、車內(nèi)駕駛員狀態(tài)監(jiān)測和車外目標(biāo)探測等功能。在工業(yè)物流中，ToF技術(shù)將挖掘許多新應(yīng)用，如物流和引導(dǎo)機(jī)器人的避障系統(tǒng)、包裹外形尺寸測量等。此外，還有家庭中使用的掃地機(jī)器人。本報告預(yù)測，2025年ToF攝像頭模組的年出貨量將達(dá)到6.8億個，約占整個3D成像和傳感市場的60%。

3D成像和傳感生態(tài)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，中國廠商涌入競逐

智能手機(jī)3D成像和傳感供應(yīng)鏈正在迅速變化。隨著結(jié)構(gòu)光方案于2017年引入蘋果iPhone，Lumentum、艾邁斯半導(dǎo)體（ams）和意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）等廠商成功摘取了第一波3D成像和傳感應(yīng)用的果實。后來，普林斯頓光學(xué)（Princeton Optronics）和菲尼薩（Finisar）殺入VCSEL市場，使得競爭激烈的局面出現(xiàn)。2019年，II-VI收購Finisar，這有助于鞏固競爭實力。在此期間，還有其它幾項大型合并行為，例如通快（Trumpf）收購飛利浦光電子（Philips Photonics），ams吞并歐司朗（OSRAM）。Trumpf和ams都在積極進(jìn)入安卓智能手機(jī)陣營的3D攝像頭供應(yīng)鏈，分別向三星（Samsung）和華為（Huawei）提供VCSEL產(chǎn)品。

聚焦中國市場，我們發(fā)現(xiàn)眾多初創(chuàng)公司正在進(jìn)入3D成像和傳感生態(tài)系統(tǒng)。在ToF攝像頭方面，由于泛光照明器中的VCSEL輸出光束不需要編碼，因此更容易設(shè)計及量產(chǎn)。這有助于一家名為縱慧芯光（Vertilite）的中國VCSEL供應(yīng)商進(jìn)入智能手機(jī)市場。他們已經(jīng)在2019年獲得了華為的VCSEL訂單。在中美貿(mào)易沖突發(fā)生之際，華為培育本土供應(yīng)鏈的政策也推動了這一舉措。

3D成像和傳感的供應(yīng)鏈情況

ToF圖像傳感器是智能手機(jī)后置3D攝像頭的關(guān)鍵組件。ToF攝像頭于2016年首次應(yīng)用于智能手機(jī)：Phab 2 Pro，該款手機(jī)使用pmd和英飛凌（Infineon）聯(lián)合開發(fā)的ToF圖像傳感器。在此前一年，索尼（Sony）收購了比利時手勢識別公司SoftKinetic，該公司擁有著名的DepthSense——ToF傳感方案。然后到2019年，ToF攝像頭市場起飛時，這一舉措使索尼在3D成像和傳感接收芯片領(lǐng)域的市場份額從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圖像傳感器市場的領(lǐng)先地位。但是，類比可見光CMOS圖像傳感器（CIS）芯片制造領(lǐng)域的競爭格局，我們認(rèn)為ToF圖像傳感器的競爭將會加劇。pmd與英飛凌最近發(fā)布了一款極具競爭力的ToF圖像傳感器。業(yè)界預(yù)測CMOS圖像傳感器巨頭三星和意法半導(dǎo)體將在2020年推出自己的ToF圖像傳感器。

從中期來看，隨著汽車激光雷達(dá)應(yīng)用的發(fā)展，我們將會看到更多的并購行為。全球有大量極具競爭力的創(chuàng)新公司值得期待，包括中國的禾賽科技（Hesai Technology）和速騰聚創(chuàng)（RoboSense）等。無論是智能手機(jī)3D攝像頭，還是汽車激光雷達(dá)，他們所需的半導(dǎo)體組件是相似的：圖像傳感器/探測器、光源（如VCSEL/EEL）、光束操縱組件（如MEMS微鏡、DOE）以及其它光學(xué)元件。毫無疑問，3D成像和傳感生態(tài)系統(tǒng)將在2020年繼續(xù)壯大！

整體而言，這場競爭在一小群CIS廠商中依然相當(dāng)激烈。從中期來看，Yole預(yù)計隨著汽車LiDAR應(yīng)用可能加入，將會出現(xiàn)更多的并購(M&A)機(jī)會。屆時將有大量極具競爭力的新興公司，其中還包括幾家中國新創(chuàng)公司，如禾賽科技(Hesai Technology)、速騰聚創(chuàng)(RoboSense)和鐳神智能系統(tǒng)有限公司(LeiShen Intelligence)，提供大致上相同的基本半導(dǎo)體產(chǎn)品，包括CIS芯片、VCSEL、MEMS、晶圓級光學(xué)元件等。