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　　【仪表网 仪表上游】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)”……
 

　　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。
 

　　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年推出小的集成式ToF测距/接近传感器：TMF8701。
 

　　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”。
 

　　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传感器市场的地位。
 

　　苹果捧红3D dToF技术，中国厂商积极布局
 

　　2020年3月，苹果(Apple)公司发布了新款平板电脑：iPad Pro，搭载了基于3D dToF技术的激光雷达扫描仪。这对于消费电子产业界来讲无疑是一场强烈的视觉“地震”！而“震中”则是索尼为苹果定制生产的dToF图像传感器，其基于SPAD(单光子雪崩光电二极管)阵列，分辨率达到3万像素。根据多位分析师预测，2020年下半年苹果即将发布的iPhone 12 Pro Max很大可能后置激光雷达扫描仪，从而促使一些安卓智能手机从3D iToF转向3D dToF。拜苹果所赐，激光雷达从汽车电子领域蹿红到消费电子领域。
 

　　在单芯片上集成SPAD阵列和测距电路的光电探测解决方案，可实现低激光功率下的远距离探测能力，并降低整体系统功耗和减小体积。但无论是对SPAD阵列芯片的设计能力，还是对制造工艺和封装技术，要求都非常高。
 

　　受益于中国的创业环境和应用市场，一批具有创新能力的海归专家和本土精英投身于创业浪潮之中，撑起dToF传感一片天！据麦姆斯咨询调研，目前正在从事dToF传感器研发和生产的中国初创公司主要有芯视界(visionICs)、灵明光子(Adaps Photonics)、芯辉科技(Xilight)、飞芯电子(ABAX Sensing)、宇称电子(Microparity)、秉正讯腾等。
 

　　在实际的3D成像和传感应用中，外界环境复杂多变，会产生大量干扰和噪声，iToF技术面临着“多径干扰、飞行像素、精度随测量距离下降”等诸多挑战，因此并没有获得苹果的青睐。而dToF技术产生的误差在正常工作范围内不随距离变化，受多径干扰的影响小，并且功耗更低。因此，相比iToF，dToF在远距离、复杂环境的应用中具有优势，为智能手机增强现实(AR)及更广泛的3D传感应用领域提供新的技术选择。在这里需要强调一句：iToF和dToF各有自己的特点和优势，用户应该根据实际应用场景选择合适的技术路线。
 

　　SPAD自从被提出以来，就以其极快的响应速度和极高的灵敏度等特性，成为弱光探测和高速成像研究领域的一个热点技术。但是SPAD芯片实现大阵列的技术难点有很多，既包括器件物理层面的问题，例如提升小像素的光子探测效率(PDE)，也涵盖电路设计和制造工艺方面的问题，例如TDC(时间-数字转换器)、淬火电路设计、跨阻放大器、3D堆叠工艺。
 

　　汽车激光雷达将成为ToF市场的发力点
 

　　汽车激光雷达作为一种采用ToF原理的测距系统，其核心元器件包括光源、光束操纵元件和光电探测器。其中，光电探测器结合飞行时间测量电路(包括TDC、TIA等)可以将探测目标的距离信息由光信号转换为电信号，以便汽车ADAS或自动驾驶系统理解外界环境状况并及时操控驾驶行为。随着激光雷达核心元器件采用半导体技术，成本不断降低，而性能不断优化，激光雷达也将从价格昂贵、模拟信号输出、机械旋转式的初始阶段，逐渐过渡到价格亲民、数字信号输出、关键元件固态化的阶段，势必成为ToF市场的重要推动力量。
 

　　例如，Ouster采用独特的数字技术、多光束闪光激光雷达架构，提供高分辨率、高可靠性、低成本的数字激光雷达，其核心芯片均是自主研发，包括一颗VCSEL阵列和一颗SPAD芯阵列；览沃科技(Livox)发布的Horizon(浩界)高性能激光雷达采用具有六个敏感单元的APD线阵，其由日本滨松公司定制生产。
 

　　从激光雷达光电探测器的像元排列方式来看，可以分为单点式、线阵式和面阵式。机械旋转式激光雷达主要采用单点雪崩光电二极管(APD)，随着激光雷达固态化的发展，逐渐过渡到线阵式和面阵式光电探测器，如SPAD阵列。但SPAD阵列制造难度高，供应商稀缺，产业链尚未成熟。硅光电倍增管(SiPM)也面临相似的问题，技术主要掌握在大厂手中(如滨松、安森美半导体)。我们也非常期待着芯视界、灵明光子、芯辉科技、飞芯电子等国内光电探测器创业公司尽早实现技术突破和产品量产！