2020新风口ToF，缘何成新晋网红？
图片来源：摄图网
日前，华为在法国发布P40系列手机，P40 Pro和P40 Pro+均搭载了后置ToF镜头。苹果最新上线的2020款iPad Pro也搭载了ToF模组。ToF一时之间成为新宠，ToF到底是什么？两大巨头看中了ToF的哪些优势？ToF技术又有何应用潜能呢？
主流手机厂商陆续加入ToF阵营
自2018年8月23日，OPPO发布首部搭载ToF摄像头的智能手机OPPO R17 Pro开始，智能手机领域ToF模组应用的序幕便被拉开。随后vivo、华为、三星、LG、联想等公司也纷纷发布搭载ToF摄像头的机型。
ToF全称是“Time of Flight”，即飞行测距。ToF本质上是一种深度信息测量技术方案，它是通过计算光/红外线的反弹时间，来计算事物与信号发射源之间距离的一种技术，可广泛应用在测绘、物流、无人驾驶等多个领域。ToF镜头主要由发光单元、光学镜片及图像传感器构成，其识别距离可达到0.4米到5米。
其实，在过去的很长一段时间里，用户通过手机摄像头所看到的，只能是一个平面的世界。随着各智能手机厂商逐步加入了3D视觉技术，手机从平面走到了立体视觉时代。3D Sensing 摄像头相比于传统摄像头，不仅能获取平面图像，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置与尺寸信息。它通常由多个摄像头+深度传感器组成。ToF技术成为实现这个跨越的热门之选。
一直以来，春季是消费电子行业的新品季。2020年3月，苹果官网上线了2020款iPad Pro，基于ToF的激光雷达扫描仪这一新增功能备受瞩目。据官网介绍，激光雷达扫描仪利用可直接飞行时间（dToF）技术，测量室内或室外环境中最远五米处发射回来的光。华为新款P40 Pro智能手机也在后置相机搭载了基于ToF的3D深度摄像头。该摄像头可以感知物体深度信息，让影像更具层次感，实现大片般的景深效果。
图片来源：芯师爷
随着各大厂家对ToF技术的逐步跟进，从手机、平板到各类智能硬件,从前置到后置相机，从人脸、手势识别到摄影增强、AR等场景，ToF的使用范围越来越广,也越来越受到青睐。
ToF为何在3D视觉方案中脱颖而出
从2017年Apple发布使用3D结构光解锁的iPhone X后，3D Sensing走进人们的生活。目前行业中有三种主流的3D视觉方案——RGB双目立体视觉、3D结构光和ToF。其中，双目立体视觉方案属于被动采集方案，3D结构光和ToF属于主动采集方案。
光源类型决定了3D结构光和ToF的测量距离范围
资料来源：OPPO
具体来说，双目立体视觉主要通过几何法来进行测距，它不需要额外的IR发射器就可以测距。其优势是不需要专门的传感器设计，图像分辨率比较高，而缺点是需要很大的算力、响应时间慢，并且需要两颗传感器，在测量运动物体有劣势。
结构光是向物体发射已知编码的光源进行测距。其优势是不需要专门的传感器设计，图像分辨率比较高，且只要1颗传感器。缺点是需要很大的算力、响应时间慢，在测量运动物体有劣势。
ToF是通过测量发出的光的来回时间来测距的。其优势是不需要很大的算力，响应时间快，可以测量运动物体和进行远距离测量。短板则是需要专门的传感器设计，图像分辨率比较低，需要一个IR发射器。
图片来源：芯师爷
资料来源：东莞证券研究所
通过对比发现，在人脸识别等短距离、精度要求较高的应用场景，3D 结构光方案更为适合；而在AR应用、手势识别等较长距离和精度要求较低的应用场景，ToF方案更为适合。ToF具备结构简单、模组尺寸更小、探测距离更远、材料成本更低等特点，在手机的后置场景中更有优势。
相较之下，TOF镜头将拥有更丰富的景深信息、更安全的3D人脸识别、更小的体积、更低的环境要求、更低的成本，预计未来苹果及安卓主流厂商都将导入后置ToF镜头。
目前ToF技术主要有iToF（indirect ToF）和 dToF（direct ToF）两种方案。dToF是直接测量光的飞行时间，好比裁判在用秒表测量运动百米赛跑。其测量距离远，深度的精度不随距离增加而下降，但图像分辨率较低，SPAD像素需要特殊的工艺与传统像素区别较大，系统复杂度高。
iToF是通过测试发射光与反射光的相位差间接测量出光的飞行时间。其像素与普通CIS工艺兼容，图像分辨率比较高，系统复杂度较小。不过，它的测量距离相对较近，深度的精度随距离增加而下降。
据了解，iToF的主要瓶颈是电荷传输和红外的QE,由于tx管需要快速的开与关，导致电荷很难传输干净。感光区大的话会使得传输较慢，感光区太小QE则不够，会影响精度。如何做到两者的平衡或将成为技术突破的重点。
国产企业力争在ToF产业链分一杯羹
3D结构光和ToF模组基本都由光源（Illuminator）、传感器阵列（Sensor Array）和光学器件（Optics）等零部件组成。据Yole预测，2023年整个3D摄像头模组的市场规模可达155亿美元，其中光源市场占14%，传感器市场占17%，光学器件市场占28%，模组市场占40%。
具体来说，整个ToF产业链主要包括方案厂商、发射端泛光照明器、接收端近红外摄像头、模组组装等环节。
￭ 方案厂商——处于ToF产业链的核心位置，主要负责设计方案、算法和选择主要零部件，一般来说也设计 ToF sensor。
￭ 发射端——主要由VCSEL激光器和光学器件组成。
从上游的砷化镓晶圆、外延片、IC设计到中游的晶圆代工等都基本由国外主导，国内少数厂商也在积极布局。
￭ 接收端——包括ToF sensor、滤光片、镜片。
ToF sensor收集反射回来经过红外滤光片过滤的红外光，测量光线从发射单元到每个像素点的时间，同时记录被拍物体的2D黑白图像。滤光片仅允许发射端相应波长的红外光通过，过滤掉其它波长的光学干扰。
￭ 模组组装——将ToF sensor、VCSEL激光器、光学元器件等集成为一个完整的模块。
纵观国内外各大主流手机厂商推出的搭载ToF摄像头产品，其供应商无一例外是外国厂商，国内厂商目前差距较大，仍需不断追赶。根据YOLE报告数据，3D摄像头在智能手机中的渗透率将在未来几年大幅上升，预计2025年将达到70%，广阔的市场空间为国内厂商不断发力，提供了有利的条件。
此外，中国本土手机品牌的崛起及壮大将进一步催生中国本土供应商（从光学镜片、红外发射器组建、处理器及图像传感器等）的发展与共赢。国产企业需找到满足本土市场需求、不超出整个系统设计解决方案范围的优质解决方案，便可以为这一市场的客户生产最具性价比的高性能电话。
而除CIS外，还需要开发其他组件，例如处理器中的算法，IR发射器和光学透镜，以适应市场需求。
新兴应用持续拉动ToF需求
据Trend Force预测，未来几年3D Sensing市场规模将呈几何式增长，到2020年，3D Sensing 市场规模可达到108.49亿美元。其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，有望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。
从具体应用领域来看，未来三年ToF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。未来ToF技术将不断渗透到中高端甚至中端机型的功能中去。如果中高端机型被普及ToF技术，那么需求体量将会上升5-10倍。而随着手机每天使用的3D应用程序不断增加， ToF将来的需求量势必会更大。
不过，目前虽然市场上已推出过众多手机带有ToF功能，如利用美图功能可优化手机拍照的景深效果、“三维建模”功能可实现体型测量等，但这些功能对于用户来说大多只停留在尝鲜的阶段，它们并不实用，难以拉动长期需求。
AR生态发展加速ToF应用
图片来源：东方证券
在智能手机之外，ToF在3D成像技术方面仍有很大的潜力，随着体感交互、3D识别与感知、环境感知等技术与应用的发展，市场对3D视觉与识别技术的兴趣日益浓厚。在未来可能是sensor市场的一个驱动引擎，可以应用在自动驾驶、医疗检测和物体识别等多种新兴领域。
写在最后
未来几年，ToF技术将在终端迎来高速增长。随着ToF技术的不断成熟和应用场景的不断丰富，手机摄像头、手势交互UI（用户界面）、汽车电子ADAS、安防监控等多个领域，对ToF深度传感器的数量需求都将大幅增长。
对于在ToF技术研发方面有一定积累的国产企业来说，在广阔的市场空间和巨大的增长潜力下，如何找到适合国产企业与自身特质的发展之路，并不断发力寻求突破，依旧需要不断尝试和探索。
诚挚感谢思特威（上海）电子科技有限公司对本文内容提供的资料支持，文章仅供交流学习之用，如有任何疑问，敬请与我们联系info@gsi24.com。
成都锐成芯微与盛芯微合并，点线面立体打造IoT平台从7nm到5nm，同场竞技哪家强？
东芯半导体：存储市场短暂爆发并不是一个好信号！
我们是如何一条直播获取100000+点播量的
突发！村田又一工厂停工，2700余人“被迫”休息
SIA最新报告！揭开美国半导体数十年领先的秘诀
半导体产业基金全收录！
推荐关注：全球物联网观察
微信号：gsi24-iot
您的物联网中央情报局！