TOF有望成主流技术 国内厂商将具备相关优势

　　应用领域，目前主流的 3D 感测技术有两种：3D 结构光（3D Structure Light）和时间飞行法（TOF，

　　3D 结构光在消费电子领域的商用最早可追溯到 2009 年，微软与以色列 3D 感测公司PrimeSense 合作发布了搭载 3D 结构光模组的体感设备 Kinect 一 代，2010 年 11 月上市后，该产品成为 2011 年销售最快的消费电子设备。尽管 产品大获成功，但第一代 Kinect 的准确度、图像分辨率和响应速度并不理想， 微软在 2009 年和 2010 年先后收购了以色列 TOF 相机公司 3DV Systems 和 3D 手势识别公司Canesta，并在 2013 年终止了与 PrimeSense 的合作，自行研发推出搭载 TOF 摄像头的 Kinect 2 代产品。

　　然而好景不长，由于缺乏爆款游戏 应用、硬件亏本销售等问题的存在，2017 年 10 月微软表示已经停止生产 Kinect， 自 2011 年上市以来累计销量仅 3500 万部。

　　尽管 Kinect 失败，但在游戏市场 的沉淀使得 3D 感测技术日益成熟。2017 年苹果发布iPhoneX，首次搭载 3D 结构光模组，可实现 3D 人脸识别技术，成为苹果近两年最大的创新。

　　此前由 于半导体工艺等多方面技术的限制，3D 感测很难应用到体积非常有限、功耗要求低的手机上，因此 iPhone X 的发布是 3D 结构光技术的重大突破，市场对 3D 结构光技术的热情重新点燃。苹果的 3D 结构光方案正是来自为微软 Kinect 一 代提供技术方案的 PrimeSense，苹果在 2013 年 11 月宣布以 3.6 亿美元收购该 公司。

　　苹果之外，主要 3D 结构光方案厂商还有美国的英特尔高通/Himax， 以色列 Mantis Vision 以及国内华为、奥比中光等公司。

　　2014 年英特尔发布全 球首款内嵌于各种智能设备的 3D 景深摄像头 RealSense，采用 3D 结构光技术， 应用在联想、戴尔等多款超极本电脑以及无人机等设备中。同年高通宣布与影像IC设计公司奇景光电Himax 合作提供高分辨率、低功耗的 3D 结构光模组 SLiMTM。

　　iPhone X 发布后，国内小米、华为和 OPPO 也先后发布了首款搭载 3D 结构光模组的智能手机，其中小米采用的是以色列 Mantis Vision 公司的解决 方案，华为采用的是自研方案，OPPO 采用的是国内公司奥比中光的解决方案。苹果在 2018 年和 2019 年的 iPhone 新产品中也全部搭载了 3D 结构光模组。

　　TOF 最早的商用可追溯到 2006 年 7 月，衍生自 CSEM（瑞士电子与微技术中心）的MESA Imaging公司成立，并推出商用TOF摄像头产品系列SwissRanger， 最开始应用于汽车的被动安全检测。2014 年，MESA 被新加坡微型光学器件厂商 Heptagon 收购，Heptagon 在 2016 年又被奥地利厂商ams（艾迈斯半导体）收购， 在小型化 TOF 传感器领域已经具备了一定优势。

　　2015 年，索尼索尼收购比利时手势识别技术公司 SoftKinetic，该公司拥有知名 DepthSense TOF 感测系统，两年后索尼就发布了全球最小的 TOF 模组。

　　TOF 技 术首次应用到智能手机是在 2016 年，Google 和联想合作推出了全球首个搭载 TOF 模组的智能手机 Phab2 Pro，采用的是 pmd/英飞凌的 TOF 方案，该手机可 实现一些如三维测量等简易的 AR 应用，但并没有引起市场较大的反响。

　　英飞凌和德国 3D 感测公司 pmd 在 TOF 领域合作了数十年，并开发出了知名的 REAL3 TOF 传感器芯片，其中 pmd 主要提供 TOF 像素矩阵，英飞凌主要提供芯片上系 统（SoC）集成的所有功能组件，并开发相应的制造工艺，该方案还用在了华 硕 2017 年发布的 AR 智能手机 Zenfone 上。

　　▲英飞凌的REAL3 3D图像传感器芯片可以实现小巧的TOF摄像头模块，便于轻松集成到小巧的电子装置中（图片来源：芯智讯）

　　2018 年 8 月 6 日，OPPO 在北京召开 了 TOF 技术沟通会， 并在 8 月 23 日发布了其首部搭载 TOF 摄像头的智能手机 OPPO R17 Pro，采用了 Sony 的解决方案。随后在 2018 年 12 月，vivo 发布了其 首部搭载 TOF 摄像头的智能手机 vivo NEX 双屏版，采用了松下的解决方案；华为发布了其首部搭载 TOF 摄像头模组的智能手机荣耀 V20，采用的是 OPPO R17 Pro 相同的 TOF 方案。

　　进入 2019 年后，安卓厂商纷纷加入 TOF 镜头的阵营，2019 年 2 月，三星发布了 Galaxy S105G，前后分别各搭载一颗 TOF 镜头；LG 发布 了 LG G8 ThinQ，搭载后置 TOF 镜头，采用了英飞凌的解决方案；联想发布了 Z6 Pro 5G 手机，搭载了后置 TOF 镜头。华为在 6 月份在中端机型 nova 5 Pro 上也搭载了后置 TOF 镜头。

　　目前除小米以外，主要安卓手机厂商均发布了搭载 TOF 模组的智能手机， 其中华为和三星发布的机型数量相对较多。

　　据腾讯科技、集微网、韩国网站The Elec 等多家媒体报道，供应链消息 称苹果将在 2020 年的 iPadPro 和两款 iPhone 中搭载 TOF 后置镜头，前置人 脸识别摄像头则还是沿用 3D 结构光的技术。报道还表示苹果或借助定制 CMOS 的方式模拟人眼功能，实现 AR 实景导航等应用，突破当前 TOF 镜头缺乏“硬” 用的瓶颈。苹果的入局有望加快安卓端的渗透速度，业界普遍看好 TOF 模组将 在 2020 年迎来放量。

　　我们对主要品牌手机厂商的 TOF 机型 2019 年和 2020 年 的渗透率进行了假设，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。

　　3D 结构光方案的原理是采用红外光源，发射出来的光经过一定的编码投影 在物体上，这些图案经物体表面反射回来时，随着物体距离的不同会发生不同 的形变，图像传感器将形变后的图案拍下来。基于三角定位法，可以通过计算 拍下来的图案里的每个像素的变形量，来得到对应的视差，从而进一步得到深 度值。

　　TOF 方案的原理是采用红外光源发射高频光脉冲到物体上，然后接收从物 体反射回去的光脉冲，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来计算被测物体离 相机的距离。

　　对比 iPhone 的 3D 结构光模组和 OPPO R17 Pro 的 TOF 模组，可看出二者的组成结构类似，3D 结构光只是在发射端多了一个点阵投影仪，但实际上两种方案中采用的泛光照明器和近红外摄像头有很大区别。3D 结构光模组中最复杂的器件为点阵投影仪，TOF 模组中最复杂的器件为近红外摄像头（即 TOF Sensor， TOF 传感器）。

　　具体包括光束整形器（Beam shaper）和投射透镜（Projection lens）， 其中光束整形器又包括扩束元件（Beam Homogenizer）和准直元件（Collimator）。光束整形器的作用是将 VCSEL 输出的光束变成横截面积较大的、均匀的准直光 束，其中扩束元件的作用在于扩大激光的横截面积，使其可以覆盖整个 DOE， 准直元件的作用是将扩束后的激光重新调成平行光。投影透镜位于 DOE 之后， 用于放大光束，，使其达到一定的覆盖范围；

　　指采用光刻工艺生产的表面带有阶梯状衍射结构的光学元件，用于形成 特定编码的光学图案，是整个 3D 结构光模组中最核心的部件，光学图案最后 经过投射透镜发射出去。

　　3D 结构光和 TOF 中的泛光照明器（Flood illuminator）都由一个 VCSEL 和 Diffuser（扩散器）组成，两者主要区别在于 3D 结构光中采用的是低功率 VCSEL，用于在光线较暗的环境下补光，从而在黑夜中也能提供完整的深度图；TOF 中采用的是高功率 VCSEL，用于向物体发射光脉冲，需要在白天和夜晚都 能工作。iPhone X 中的泛光照明器和 TOF 距离传感器（Proximity Sensor）封 装在一起，由 STM 供应。3D 结构光和 TOF 中的近红外摄像头（Near-infrared Camera）都由一个红外 CMOS 传感器、窄带滤光片（Narrow band filter）和 聚焦透镜（Focus lens）组成，二者的主要区别在于红外 CMOS 传感器的性能 不同。

　　3D 结构光中点阵投影仪、泛光照明器以及 TOF 中泛光照明器 中采用的 VCSEL 性能有很大区别。结构光的 VCSEL 需要制作成特定的图案，对 图案表现的一致性、器件高温漂移情况、发热表现、耐环境高温等都会有更高 的要求，从而对供应商的设计能力、工艺及产品良率的考验也更大，全球可实 现量产的厂商仅有美国 Lumetum、被 ams 收购 Princeton Optronics 等。TOF 中泛光照明器的 VCSEL 输出光束无需经过编码，因此器件制作上更为简单，可 供选择的 VCSEL 供应商也更多。

　　Diffuser 是 DOE 的一种，也属于波束整形器，用于对 输入光束进行均一化，通过使较大折射角处具有更大屈光度，使得较窄的光束 扩展到更宽的角度范围内，并具备均匀的照明场。TOF 中的 Diffuser 的设计制 作难度，比 3D 结构光点阵投影仪中的 DOE 要简单很多，全球具备先进 DOE 设 计与制造的公司屈指可数，主要有德国 CDA、法国 Silios 和德国 Holoeye， iPhone X 中的 DOE 由 Primesense 自行设计 pattern 图案，台积电提供 pattern 微纳加工，采钰提供 ITO 材料，精材科技提供器件封装。Diffuser 的供货厂商 则较多，包括 Finisar（被 II-VI 收购）、PRC（被 Viavi 收购）及 Himax 等。

　　由于发射端光源 VCSEL 发射的是特定波长（850nm/940nm） 的近红外光，窄带滤光片可将该波长以外的环境光“剔除”，使仅有该波长的 近红外光进入图像传感器，从而避免环境光的干扰。窄带滤光片的薄膜由低折 射率和高折射率的两种膜组成，叠加后层数达几十层，每一层薄膜的参数漂移 都可能影响最终性能。而且窄带滤光片透过率对薄膜的损耗非常敏感，所以制 备峰值透过率很高、半带宽又很窄的滤光片非常困难。全球仅有美国厂商 Viavi 和国内厂商水晶光电可供应。

　　3D 结构光的近红外摄像头要求较低，其作用是成像， iPhone X 的近红外摄像头由意法半导体提供，采用 Soitec 公司的 Imager－SOI 技术，具有更高的量子效率和极低的噪声。TOF 的近红外摄像头要求则比 3D 结 构光高的多，因为 TOF 发射的是高频调制脉。