「芯調查」用1年時間突圍!蘋果、華為們加持的ToF有何底牌

愛集微app 發佈 2020-06-14T05:05:14+00:00

為了與結構光進行區分,國內的安卓陣營開始在2018年引入ToF,OPPO R17 PRO與榮耀V20 都使用了索尼IMX 316 ToF傳感器。

集微網報導(文/李延)從2018年開始,ToF技術就成為了半導體行業全力打造的新明星,曝光度有增無減。手機大廠,如三星、華為、OPPO、vivo、小米、LG等也在中高端機型中配置了ToF鏡頭。稍顯尷尬的是,在對消費者進行的調查中,很多人都認為ToF鏡頭的實際意義不大。

不過,在蘋果公司今年發布了2020版iPad Pro以後,形勢又為之一變。iPad Pro搭載了基於dToF模組的雷射雷達掃描儀,配合蘋果出色的AR應用,顯示了ToF的真正實力。緊隨其後,華為發布了同樣配置ToF模組的P40系列和基於河圖技術的AR地圖。

ToF再一次站上了風口!

ToF的手機之旅

進入2020年,華為發布的P40、P40 pro,三星的S20+、S20 Ultra都搭載了ToF模組。該技術已經逐漸成為高端機型的必配。從無到有,ToF進入手機之旅也有不小的一段時間。

如果進行追溯,ToF首先在消費電子領域的應用是2013年,微軟在Xbox遊戲機的體感控制器Kinect V2.0中使用了3DV Systems的TOF技術,這個當時全球最小的ToF模組引發了市場的關注。

聯想在2016年發布了智慧型手機Phab2 Pro,首次在智慧型手機中引入了ToF。這個由英飛凌和pmd聯合打造的方案可以使用一些AR應用。不過,這次應用沒有在市場中引起很大的反響。

有意思的是,蘋果在隨後發布的iPhone7 plus中也開始使用ToF傳感器。這個產品是意法半導體為蘋果定製的,放置在iPhone手機主揚聲器上方,採用光學柵格陣列(LGA)封裝形式,尺寸為2.8mm×2.40mm,小於意法半導體對外公開銷售的任一款ToF傳感器。隨後沒有大肆宣傳,蘋果反而在iPhone X中開始使用3D結構光,並不斷進行推廣。

為了與結構光進行區分,國內的安卓陣營開始在2018年引入ToF,OPPO R17 PRO與榮耀V20 都使用了索尼IMX 316 ToF傳感器。這顆傳感器尺寸為1/6英寸,有效像素則只有4.32萬。與之相對,VIVO NEX 雙屏版的ToF鏡頭使用了松下的CCD 方案。由松下提供CCD sensor傳感器搭配ADI的控制晶片實現3D感測功能,並具備Face ID功能。這枚傳感器的圖像解析度也達到了640×480 VGA級別,約30W有效像素。

圖1 截止到2019年部分使用ToF的機型(來自Yole Développement)

在ToF不斷主流化的進程中,多家晶片大廠都參與其中,但是索尼最終成為了傳感器側的霸主。2020年新發布的智慧型手機或iPad Pro,其中的ToF傳感器都是索尼提供的。一位業內人士就表示:「因為在技術上超前,華米OV這樣的大廠首先會採用索尼的產品,這也給國內的ToF傳感器供應商造成不小的壓力。」

從2015年收購比利時公司SoftKinetic獲得ToF技術開始,索尼就開始不停地趕超對手。憑藉在CMOS領域和系統方面的多年積累,索尼的ToF技術進展神速。到2019年最新的ToF模組問世時,其已經從3D感測接收器晶片的零市場份額上升到45%。

後起之秀dToF

「ToF會完全取代結構光,但是iToF和dToF會長期共存。」一位行業人士如此判斷。

對於ToF技術來說,2020年最大的變化是dToF的崛起。因為蘋果的示範作用,主流廠商都開始往dToF靠攏。

dToF和其他手機上裝載iToF同屬ToF技術,但兩者的「個性」確大相逕庭。dToF (direct time-of-flight) 技術直接測量光脈衝的發射和接收的時間差,iToF(indirect time-of-flight),通過傳感器在不同時間窗口採集到能量值的比例關係,解析出信號相位,間接測量發射信號和接收信號的時間差。下圖比較了四種主流的3D感應技術。

圖2 4種主流3D感應技術比較(源自光鑒科技《ToF深度相機技術白皮書》)

結構光、iToF和dToF在技術上各有擅長。光鑒科技CTO汪博就表示:「在短距離、低成本上方案上,iToF更有優勢。如果測量距離比較遠,成本空間又大,則適合dToF。如果是近距離拍照,dToF的誤差並不低,反之,iToF、結構光更精準。

不過,dToF技術在測量精度、功耗、信號處理等諸多方面的優勢明顯,只是工藝難度制約了其發展。僅在精度這一方面,除了對時鐘同步有非常高的精度要求以外,還對脈衝信號的精度有很高的要求。

再者,由於安全性考慮以及消費電子產品本身的功耗限制,雷射發射器發出的脈衝能量有限,但是需要覆蓋完整的視場區域,光脈衝在經過反射回到接收器時,能量密度降低了很多倍。同時,環境光作為噪聲,會干擾接收器對於信號的檢測和還原。因此,dToF方案需要靈敏度極高的光探測器來檢測微弱的光信號。

採用SPAD(單光子雪崩二極體)陣列可以滿足這些要求,不過掌握技術的廠家並不多,而且集成難度大。故此,在前幾年的中高端手機中出現的都是iToF。

還需說明的是,dToF的工作距離與發射端VCSEL(垂直腔表面發射雷射器)光源的功率直接相關。要想實現遠距離工作,就需要提高發射端VCSEL光源的功率,或者將脈衝周期縮短到納秒級別,以提升脈衝瞬時功率。蘋果dToF所採用的新一代VCSEL,正是在極短的時間內產生了數倍於普通VCSEL的高強度的紅外脈衝雷射,從而實現了5m工作範圍內的高精度3D深度感知。

最後,在系統集成方面, dToF晶片要集成淬火電路,TDC、存儲單元以及運算單元,還需要將功耗控制在很低水平,這也極端考驗設計者的功力。

還差一個導火索

從2018年開始,市場上就一直看好ToF的起飛。曾有機構預測,2019/2020 年全球搭載 TOF 模組的智慧型手機出貨量分別為4300萬和1.5億部。考慮到華為、三星等部分高端機型搭載前後TOF模組,預測2019/2020年全球智慧型手機的TOF 模組合計為5700萬和1.83億個。

2019年的情況基本和預期相符,但多事的2020年打亂了市場的節奏。「我們預測2020年搭載ToF的手機出貨量為1.2億部。」來自產業資本的投資人王華告訴集微網。

據他透露,國內一家頂尖的手機ODM公司2020年拿到的ToF項目也就是5、00-600K的數量。其中,華為是300K,小米有100K左右。

這其中有成本方面的考量。據供應鏈的消息,iToF模組的成本一直在10美元左右,dToOF成本稍高,接近15美元左右。從國外媒體發布的S20 Ultra BOM清單中,也證實了這一說法。

圖3 三星S20 Ultra BOM清單

以廠商的角度來看,ToF方案也有很多不成熟的地方。炬佑智能CEO劉洋表示:「在一些應用場景,需要動態算法的地方,沒有廠家能全部覆蓋到。比如,如果周圍環境發生改變,物體發射率不一樣了,ToF就無法做出調整。」

「而且,ToF技術發展時間較短,傳感器還沒有標準化,第三方也很少,生態還未完全形成。」劉洋補充道。

除去這些基礎層面,還有非常重要的一點就是缺乏應用引領。「市場很火熱,但是頭部廠商還是比較謹慎。」王華分析原因,認為沒有什麼應用能發揮ToF的功能。

ToF的強項是景深測量,硬傷是解析度低,所以還無法承擔面部識別及相關的工作。容億投資創始合伙人劉宏春就表示:「無論是成本,還是生產難度,ToF模組都比較高,所以廠商只能放在旗艦機上。而且擔心功耗影響大,所以沒有去大肆推廣,只不過表明我已經有了這項技術。」

拓墣產業研究院研究經理蔡卓卲也表示:「手機品牌廠導入ToF鏡頭,現階段是取代景深鏡頭,並提供更好的拍照效果,做為多鏡頭的規格競賽,不過長期而言,是著眼於未來5G時代的AR應用展開的鋪路。」

要推動應用發展,需要頭部廠商發力,蘋果已經給了很好的示範作用。利用dTOF攝像頭,iPad pro可以實現很多好玩又適用的AR應用。如果同預測一樣,蘋果在今年9月份發布的iPhone 12上配備ToF攝像頭,一個AR硬體生態就會顯露雛形。

國內手機廠商方面,華為對ToF的熱情度最高,也有一個明晰的發展路徑。在P40系列的同時,華為推出了基於華為河圖技術的AR地圖。這款AR地圖可實現具有厘米級3D地圖精度,1:1還原真實世界;高精度空間計算;AI3D物體識別;虛實光影追蹤等能力。華為用ToF的空間感知能力與彩色攝像頭的高質量成像能力結合,實現真實世界人物與虛擬數字內容逼真的實時遮擋效果。

據了解,華為的思路是要實現地球級的XR,要做到全場景覆蓋,同時擴展到10米以上的應用。如此宏偉的架構,ToF就是其中必不可少的一環。

放眼手機之外,ToF也在其他領域不斷進行嘗試。近期,科沃斯等廠家在掃地機器人中使用了ToF相機,替換了傳統的雷射雷達,在整體成本大幅下降的同時,產品也更加小巧、輕薄。還有汽車中的駕駛者疲勞監測、替代固體雷射雷達、自動泊車,都是ToF理想的應用場景。只是這些應用都還處於起步階段,尚難以拉動產業增長。

據IHS Markit報告,ToF未來主要的應用市場還是來自智慧型手機市場,預計2020年對應市場規模超過6億美元,占整個市場的90%以上,其次是平板電腦市場、建築物檢測、智能家居、汽車中控、無人機等應用領域。

國內供應鏈興起

「今年的市場規模比去年擴大了好幾倍,而且客戶也都知道ToF是怎麼回事,該怎樣用了。」這是劉洋對市場的切身感受。

這番改變的背後,也是整個國內供應鏈開始成熟的表現。縱觀TOF產業鏈,方案、算法、發射端泛光照明器和接收端近紅外攝像頭是產業的四大支柱。四個部分中,方案部分由國外大廠完全統治,包括微軟、pmd、ams、ST、TI、 Melexis、索尼、松下等。接收端方面,如ToF傳感器,除索尼、ST、ams、英飛凌外,炬佑智能、聚芯微電子等一批廠商也已經開始嶄露頭角。

不過接收端也是國內產業鏈差距較大的地方。下圖是華為Mate 30 Pro TOF 攝像頭供應鏈。可以看出,其他環節都有國內廠商的身影,只有ToF傳感器這環被索尼占據著。

圖4 華為 Mate 30 Pro TOF 攝像頭供應鏈(源自東方財富證券研究所)

索尼憑藉著多年的積累和IDM模式,在CMOS圖像傳感器領域打遍天下無敵手,基本占據了半數的全球市場份額。早在2017年,索尼就開發出具有VGA解析度(640×480)的背照式ToF圖像傳感器IMS456QL。而國內的主要廠商,在2020年底才能實現VGA解析度ToF傳感器的量產。不過,差距也在縮小,國內廠商的研發實力正逐步增強,並通過一系列特有技術來提高產品競爭力。

發射端的核心器件是VCSEL雷射器。全球能夠生產工業級VCSEL的IDM廠商有Lumentum、Finisar(被美國II-VI收購)、Philips Photonics(被德國通快收購)和Princeton Optronics(被 AMS 收購)等。iPhone的點陣投影儀和泛光照明器中的VCSEL均來自Lumentum,安卓的3D結構光產品中的VCSEL主要來自Princeton Optronics(ams),其次還有 Philips Photonics(通快)。國內廠商方面,初創企業縱慧芯光憑藉出色表現已經成功打入了華為供應鏈。還有不少以光通訊或LED晶片背景的企業也在布局VCSEL,如光迅科技、華芯半導體、華工科技、三安光電、乾照光電等。

VCSEL雷射器由工業級應用轉向消費級後,難點在於保持性能的情況下實現小型化。不過,ToF用的VCSEL雷射器無需編碼,工藝難度小於結構光,相對容易實現。

模組方面,國內廠商一直比較活躍。舜宇光學、歐菲光等廠商都很早就開始了ToF方面的布局。舜宇光學具有鏡頭這一垂直領域優勢,同時還擁有眾多元器件的子公司,實現了產業鏈垂直整合。歐菲光則通過戰略投資獲得模組、鏡頭和VCSEL晶片,打通產業鏈。舜宇和歐菲都已經打入了主流廠商(華為、三星、OPPO等)的供應鏈,隨著ToF滲透率的提高,將會帶動國內產業生態的進一步發展。

因為持續火熱,ToF也引發了一波又一波的資本市場「追星熱潮」。圍繞ToF的融資事件不斷上演,金額也在快速加碼。就在近期,聚芯微電子宣布完成1.8億元B輪融資。其中1.2億元由和利資本領投,源碼資本跟投,6千萬元由湖杉資本、將門創投及知名手機產業鏈基金的聯合投資。同時,縱慧芯光獲得了華為控股的哈勃科技投資有限公司的入股。此外,炬佑智能、檸檬光子、唐晶量子等國內領先企業,也開啟了最新一輪的融資過程。

有AR應用開路,蘋果、華為等大企業護航,ToF的長期前景是不用質疑的。對於國內企業來說,最重要的還是要掌握核心技術。畢竟,對於一個新興的行業,短期發展取決於供應鏈,長期發展還是要看取決於技術的演進。(校對/Humphrey)

(文中王華為化名)

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