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「芯调查」用1年时间突围！苹果、华为们加持的ToF有何底牌

集微网报道（文/李延）从2018年开始 ， ToF技术就成为了半导体行业全力打造的新明星 ， 曝光度有增无减 。 手机大厂 ， 如三星、华为、OPPO、vivo、小米、LG等也在中高端机型中配置了ToF镜头 。 稍显尴尬的是 ， 在对消费者进行的调查中 ， 很多人都认为ToF镜头的实际意义不大 。
不过 ， 在苹果公司今年发布了2020版iPadPro以后 ， 形势又为之一变 。 iPadPro搭载了基于dToF模组的激光雷达扫描仪 ， 配合苹果出色的AR应用 ， 显示了ToF的真正实力 。 紧随其后 ， 华为发布了同样配置ToF模组的P40系列和基于河图技术的AR地图 。
ToF再一次站上了风口！
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ToF的手机之旅
进入2020年 ， 华为发布的P40、P40pro ， 三星的S20+、S20Ultra都搭载了ToF模组 。 该技术已经逐渐成为高端机型的必配 。 从无到有 ， ToF进入手机之旅也有不小的一段时间 。
如果进行追溯 ， ToF首先在消费电子领域的应用是2013年 ， 微软在Xbox游戏机的体感控制器KinectV2.0中使用了3DVSystems的TOF技术 ， 这个当时全球最小的ToF模组引发了市场的关注 。
联想在2016年发布了智能手机Phab2Pro ， 首次在智能手机中引入了ToF 。 这个由英飞凌和pmd联合打造的方案可以使用一些AR应用 。 不过 ， 这次应用没有在市场中引起很大的反响 。
有意思的是 ， 苹果在随后发布的iPhone7plus中也开始使用ToF传感器 。 这个产品是意法半导体为苹果定制的 ， 放置在iPhone手机主扬声器上方 ， 采用光学栅格阵列（LGA）封装形式 ， 尺寸为2.8mm×2.40mm ， 小于意法半导体对外公开销售的任一款ToF传感器 。 随后没有大肆宣传 ， 苹果反而在iPhoneX中开始使用3D结构光 ， 并不断进行推广 。
为了与结构光进行区分 ， 国内的安卓阵营开始在2018年引入ToF ， OPPOR17PRO与荣耀V20都使用了索尼IMX316ToF传感器 。 这颗传感器尺寸为1/6英寸 ， 有效像素则只有4.32万 。 与之相对 ， VIVONEX双屏版的ToF镜头使用了松下的CCD方案 。 由松下提供CCDsensor传感器搭配ADI的控制芯片实现3D感测功能 ， 并具备FaceID功能 。 这枚传感器的图像分辨率也达到了640×480VGA级别 ， 约30W有效像素 。
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图1截止到2019年部分使用ToF的机型（来自YoleDéveloppement）
在ToF不断主流化的进程中 ， 多家芯片大厂都参与其中 ， 但是索尼最终成为了传感器侧的霸主 。 2020年新发布的智能手机或iPadPro ， 其中的ToF传感器都是索尼提供的 。 一位业内人士就表示：“因为在技术上超前 ， 华米OV这样的大厂首先会采用索尼的产品 ， 这也给国内的ToF传感器供应商造成不小的压力 。 ”
从2015年收购比利时公司SoftKinetic获得ToF技术开始 ， 索尼就开始不停地赶超对手 。 凭借在CMOS领域和系统方面的多年积累 ， 索尼的ToF技术进展神速 。 到2019年最新的ToF模组问世时 ， 其已经从3D感测接收器芯片的零市场份额上升到45％ 。
后起之秀dToF
“ToF会完全取代结构光 ， 但是iToF和dToF会长期共存 。 ”一位行业人士如此判断 。
对于ToF技术来说 ， 2020年最大的变化是dToF的崛起 。 因为苹果的示范作用 ， 主流厂商都开始往dToF靠拢 。
dToF和其他手机上装载iToF同属ToF技术 ， 但两者的“个性”确大相径庭 。 dToF(directtime-of-flight)技术直接测量光脉冲的发射和接收的时间差 ， iToF（indirecttime-of-flight） ， 通过传感器在不同时间窗口采集到能量值的比例关系 ， 解析出信号相位 ， 间接测量发射信号和接收信号的时间差 。 下图比较了四种主流的3D感应技术 。
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图24种主流3D感应技术比较（源自光鉴科技《ToF深度相机技术白皮书》）
结构光、iToF和dToF在技术上各有擅长 。 光鉴科技CTO汪博就表示：“在短距离、低成本上方案上 ， iToF更有优势 。 如果测量距离比较远 ， 成本空间又大 ， 则适合dToF 。 如果是近距离拍照 ， dToF的误差并不低 ， 反之 ， iToF、结构光更精准 。 ”
不过 ， dToF技术在测量精度、功耗、信号处理等诸多方面的优势明显 ， 只是工艺难度制约了其发展 。 仅在精度这一方面 ， 除了对时钟同步有非常高的精度要求以外 ， 还对脉冲信号的精度有很高的要求 。
再者 ， 由于安全性考虑以及消费电子产品本身的功耗限制 ， 激光发射器发出的脉冲能量有限 ， 但是需要覆盖完整的视场区域 ， 光脉冲在经过反射回到接收器时 ， 能量密度降低了很多倍 。 同时 ， 环境光作为噪声 ， 会干扰接收器对于信号的检测和还原 。 因此 ， dToF方案需要灵敏度极高的光探测器来检测微弱的光信号 。
采用SPAD（单光子雪崩二极管）阵列可以满足这些要求 ， 不过掌握技术的厂家并不多 ， 而且集成难度大 。 故此 ， 在前几年的中高端手机中出现的都是iToF 。
还需说明的是 ， dToF的工作距离与发射端VCSEL（垂直腔表面发射激光器）光源的功率直接相关 。 要想实现远距离工作 ， 就需要提高发射端VCSEL光源的功率 ， 或者将脉冲周期缩短到纳秒级别 ， 以提升脉冲瞬时功率 。 苹果dToF所采用的新一代VCSEL ， 正是在极短的时间内产生了数倍于普通VCSEL的高强度的红外脉冲激光 ， 从而实现了5m工作范围内的高精度3D深度感知 。
最后 ， 在系统集成方面 ， dToF芯片要集成淬火电路 ， TDC、存储单元以及运算单元 ， 还需要将功耗控制在很低水平 ， 这也极端考验设计者的功力 。
还差一个导火索
从2018年开始 ， 市场上就一直看好ToF的起飞 。 曾有机构预测 ， 2019/2020年全球搭载TOF模组的智能手机出货量分别为4300万和1.5亿部 。 考虑到华为、三星等部分高端机型搭载前后TOF模组 ， 预测2019/2020年全球智能手机的TOF模组合计为5700万和1.83亿个 。
2019年的情况基本和预期相符 ， 但多事的2020年打乱了市场的节奏 。 “我们预测2020年搭载ToF的手机出货量为1.2亿部 。 ”来自产业资本的投资人王华告诉集微网 。
据他透露 ， 国内一家顶尖的手机ODM公司2020年拿到的ToF项目也就是5、00-600K的数量 。 其中 ， 华为是300K ， 小米有100K左右 。
这其中有成本方面的考量 。 据供应链的消息 ， iToF模组的成本一直在10美元左右 ， dToOF成本稍高 ， 接近15美元左右 。 从国外媒体发布的S20UltraBOM清单中 ， 也证实了这一说法 。
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图3三星S20UltraBOM清单
【「芯调查」用1年时间突围！苹果、华为们加持的ToF有何底牌】以厂商的角度来看 ， ToF方案也有很多不成熟的地方 。 炬佑智能CEO刘洋表示：“在一些应用场景 ， 需要动态算法的地方 ， 没有厂家能全部覆盖到 。 比如 ， 如果周围环境发生改变 ， 物体发射率不一样了 ， ToF就无法做出调整 。 ”
“而且 ， ToF技术发展时间较短 ， 传感器还没有标准化 ， 第三方也很少 ， 生态还未完全形成 。 ”刘洋补充道 。
除去这些基础层面 ， 还有非常重要的一点就是缺乏应用引领 。 “市场很火热 ， 但是头部厂商还是比较谨慎 。 ”王华分析原因 ， 认为没有什么应用能发挥ToF的功能 。
ToF的强项是景深测量 ， 硬伤是分辨率低 ， 所以还无法承担面部识别及相关的工作 。 容亿投资创始合伙人刘宏春就表示：“无论是成本 ， 还是生产难度 ， ToF模组都比较高 ， 所以厂商只能放在旗舰机上 。 而且担心功耗影响大 ， 所以没有去大肆推广 ， 只不过表明我已经有了这项技术 。 ”
拓墣产业研究院研究经理蔡卓卲也表示：“手机品牌厂导入ToF镜头 ， 现阶段是取代景深镜头 ， 并提供更好的拍照效果 ， 做为多镜头的规格竞赛 ， 不过长期而言 ， 是着眼于未来5G时代的AR应用展开的铺路 。 ”
要推动应用发展 ， 需要头部厂商发力 ， 苹果已经给了很好的示范作用 。 利用dTOF摄像头 ， iPadpro可以实现很多好玩又适用的AR应用 。 如果同预测一样 ， 苹果在今年9月份发布的iPhone12上配备ToF摄像头 ， 一个AR硬件生态就会显露雏形 。
国内手机厂商方面 ， 华为对ToF的热情度最高 ， 也有一个明晰的发展路径 。 在P40系列的同时 ， 华为推出了基于华为河图技术的AR地图 。 这款AR地图可实现具有厘米级3D地图精度 ， 1：1还原真实世界;高精度空间计算;AI、3D物体识别;虚实光影追踪等能力 。 华为用ToF的空间感知能力与彩色摄像头的高质量成像能力结合 ， 实现真实世界人物与虚拟数字内容逼真的实时遮挡效果 。
据了解 ， 华为的思路是要实现地球级的XR ， 要做到全场景覆盖 ， 同时扩展到10米以上的应用 。 如此宏伟的架构 ， ToF就是其中必不可少的一环 。
放眼手机之外 ， ToF也在其他领域不断进行尝试 。 近期 ， 科沃斯等厂家在扫地机器人中使用了ToF相机 ， 替换了传统的激光雷达 ， 在整体成本大幅下降的同时 ， 产品也更加小巧、轻薄 。 还有汽车中的驾驶者疲劳监测、替代固体激光雷达、自动泊车 ， 都是ToF理想的应用场景 。 只是这些应用都还处于起步阶段 ， 尚难以拉动产业增长 。
据IHSMarkit报告 ， ToF未来主要的应用市场还是来自智能手机市场 ， 预计2020年对应市场规模超过6亿美元 ， 占整个市场的90%以上 ， 其次是平板电脑市场、建筑物检测、智能家居、汽车中控、无人机等应用领域 。
国内供应链兴起
“今年的市场规模比去年扩大了好几倍 ， 而且客户也都知道ToF是怎么回事 ， 该怎样用了 。 ”这是刘洋对市场的切身感受 。
这番改变的背后 ， 也是整个国内供应链开始成熟的表现 。 纵观TOF产业链 ， 方案、算法、发射端泛光照明器和接收端近红外摄像头是产业的四大支柱 。 四个部分中 ， 方案部分由国外大厂完全统治 ， 包括微软、pmd、ams、ST、TI、Melexis、索尼、松下等 。 接收端方面 ， 如ToF传感器 ， 除索尼、ST、ams、英飞凌外 ， 炬佑智能、聚芯微电子等一批厂商也已经开始崭露头角 。
不过接收端也是国内产业链差距较大的地方 。 下图是华为Mate30ProTOF摄像头供应链 。 可以看出 ， 其他环节都有国内厂商的身影 ， 只有ToF传感器这环被索尼占据着 。
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图4华为Mate30ProTOF摄像头供应链（源自东方财富证券研究所）
索尼凭借着多年的积累和IDM模式 ， 在CMOS图像传感器领域打遍天下无敌手 ， 基本占据了半数的全球市场份额 。 早在2017年 ， 索尼就开发出具有VGA分辨率（640×480）的背照式ToF图像传感器IMS456QL 。 而国内的主要厂商 ， 在2020年底才能实现VGA分辨率ToF传感器的量产 。 不过 ， 差距也在缩小 ， 国内厂商的研发实力正逐步增强 ， 并通过一系列特有技术来提高产品竞争力 。
发射端的核心器件是VCSEL激光器 。 全球能够生产工业级VCSEL的IDM厂商有Lumentum、Finisar(被美国II-VI收购)、PhilipsPhotonics(被德国通快收购)和PrincetonOptronics(被AMS收购)等 。 iPhone的点阵投影仪和泛光照明器中的VCSEL均来自Lumentum ， 安卓的3D结构光产品中的VCSEL主要来自PrincetonOptronics(ams) ， 其次还有PhilipsPhotonics(通快) 。 国内厂商方面 ， 初创企业纵慧芯光凭借出色表现已经成功打入了华为供应链 。 还有不少以光通讯或LED芯片背景的企业也在布局VCSEL ， 如光迅科技、华芯半导体、华工科技、三安光电、乾照光电等 。
VCSEL激光器由工业级应用转向消费级后 ， 难点在于保持性能的情况下实现小型化 。 不过 ， ToF用的VCSEL激光器无需编码 ， 工艺难度小于结构光 ， 相对容易实现 。
模组方面 ， 国内厂商一直比较活跃 。 舜宇光学、欧菲光等厂商都很早就开始了ToF方面的布局 。 舜宇光学具有镜头这一垂直领域优势 ， 同时还拥有众多元器件的子公司 ， 实现了产业链垂直整合 。 欧菲光则通过战略投资获得模组、镜头和VCSEL芯片 ， 打通产业链 。 舜宇和欧菲都已经打入了主流厂商（华为、三星、OPPO等）的供应链 ， 随着ToF渗透率的提高 ， 将会带动国内产业生态的进一步发展 。
因为持续火热 ， ToF也引发了一波又一波的资本市场“追星热潮” 。 围绕ToF的融资事件不断上演 ， 金额也在快速加码 。 就在近期 ， 聚芯微电子宣布完成1.8亿元B轮融资 。 其中1.2亿元由和利资本领投 ， 源码资本跟投 ， 6千万元由湖杉资本、将门创投及知名手机产业链基金的联合投资 。 同时 ， 纵慧芯光获得了华为控股的哈勃科技投资有限公司的入股 。 此外 ， 炬佑智能、柠檬光子、唐晶量子等国内领先企业 ， 也开启了最新一轮的融资过程 。
有AR应用开路 ， 苹果、华为等大企业护航 ， ToF的长期前景是不用质疑的 。 对于国内企业来说 ， 最重要的还是要掌握核心技术 。 毕竟 ， 对于一个新兴的行业 ， 短期发展取决于供应链 ， 长期发展还是要看取决于技术的演进 。 （校对/Humphrey）
（文中王华为化名）


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