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3D视觉热潮来袭,TOF传感器技术市场简析


  来源: MEMS 时间:2020-09-21 编辑:仪器仪表WXF
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2017年,苹果iPhone X前置结构光(SL)模组开启了3D成像和传感时代。随后,安卓智能手机推动第二波3D成像和传感应用,iToF(间接飞行时间)模组加快渗透。2020年3月,苹果新款iPad Pro闪亮登场,捧红了dToF(直接飞行时间)模组——激光雷达扫描仪。那么,2020年下半年苹果即将发布的iPhone 12系列手机是否会再接再厉,加快dToF应用步伐呢?


3D视觉热潮来袭,“ToF”接力“结构光”


视觉是人类获取信息的主要载体;类似地,视觉传感器也是机器获取信息的主要载体。模仿人类视觉体验,机器视觉正从二维(2D)走向三维(3D),并在某些方面超越人类视觉,为丰富多彩的创新应用提供发展驱动力。如今,3D传感结合人工智能(AI),正在改变着各行各业的运行模式和人类的生活方式:从“智能手机人脸识别、零售行业刷脸支付”,到“交通工具自动驾驶、游戏领域体感操控”,再到“增强现实(AR)、虚拟现实(VR)”……


3D成像和传感应用示例

3D成像和传感应用示例(来源:麦姆斯咨询)


在消费电子领域,3D成像和传感模组主要有三大类:立体视觉、结构光、飞行时间(ToF)。但是在智能手机上很难寻觅到立体视觉的身影,主要是结构光和ToF的竞争。结构光和ToF都属于主动光探测方案,包括发射端和接收端两部分,以典型的3D iToF摄像头模组为例,发射端核心元器件包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)、扩散片(diffuser)和透镜,接收端核心元器件包括ToF图像传感器、窄带滤光片和透镜。结构光的“舞台”是手机前置摄像头,而ToF则可以“前后通吃”,尤其是利用手机后置摄像头实现增强现实(AR)功能,都是ToF的天下。虽然iPhone X采用的结构光被认为是3D成像和传感时代的起点。但是越来越多的智能手机3D模组向ToF发展,从而提升屏占比(全面屏趋势)和抗阳光干扰性能,并降低计算量和成本。


3D成像和传感模组及元器件示例

3D成像和传感模组及元器件示例(来源:麦姆斯咨询)


采用3D成像和传感技术的智能手机

采用3D成像和传感技术的智能手机(来源:麦姆斯咨询)


其实,智能手机的ToF应用早于2014年就开始了,不过当时还没实现3D成像和传感,仅仅是单点或小阵列测距(1D dToF方案),主要应用是自动对焦、接近检测、人体存在检测。2014~2018年期间,意法半导体(ST)几乎独享手机ToF测距/接近传感器市场,2019年11月宣布出货量突破10亿大关。艾迈斯半导体(ams)嗅到了此商机,除了为华为定制了ToF测距/接近传感器,还于2019年推出全球最小的集成式ToF测距/接近传感器:TMF8701。


ToF在消费电子领域的应用趋势

ToF在消费电子领域的应用趋势(来源:麦姆斯咨询)


在3D ToF方面,人脸识别、手势识别、增强现实等应用成为增长驱动力。由于采用背照式(BSI)技术,iToF图像传感器现在有了很大的改进,分辨率可达VGA(640像素 x 480像素)甚至更高。在成熟的3D视觉生态系统中,iToF方案也拥有成本优势。这些是iToF赢得安卓智能手机厂商青睐的主要原因。除智能手机之外,3D ToF在智能驾驶、机器人、智能眼镜、智能电视、智慧安防等领域都拥有广阔的发展前景,吸引了众多传统CMOS图像传感器、指纹识别传感器厂商加入“战局”。其中,索尼(Sony)无疑是3D ToF领域的领头羊,pmd与英飞凌(Infineon)也发布了一款极具竞争力的ToF图像传感器。业界预测CMOS图像传感器巨头三星(Samsung)和意法半导体将在2020~2021年推出自己的ToF图像传感器。


iToF传感器代表厂商产品

iToF传感器代表厂商产品(来源:麦姆斯咨询)


索尼在ToF领域的成功离不开一项收购——2015年10月8日收购比利时公司SoftKinetic,进军ToF传感器领域。2017年12月18日,SoftKinetic正式更名为Sony DepthSensing Solutions,加强DepthSense®系列产品的市场地位。然后到2019年,ToF摄像头模组市场起飞时,这一举措使索尼在3D成像和传感接收芯片领域的市场份额从0%上升到45%。凭借强大的技术研发和供应能力,索尼有望继续保持在ToF传感器市场的领先地位。


苹果捧红3D dToF技术,中国厂商积极布局


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