芯人必读 | 一文看懂TOF传感器行业
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文章大纲
3D传感方案介绍
·结构光与TOF为3D传感主流方案，TOF有望拓展广阔应用市场
·手机厂商持续布局3D传感技术，安卓TOF方案放量在即
需求端
·手机与汽车市场双引擎驱动3D传感加速渗透
·发射端新增元器件价值量高，TOF方案有望以成本优势加速应用
供给端
·苹果抢占全球成熟产业资源，安卓厂商有望在 TOF方案实现超车
·传统摄像头各环节龙头厂商有望业务延伸至3D传感领域
3D传感
3D传感方案介绍：手机厂商放量在即，TOF方案有望拓宽应用市场
结构光与TOF为3D传感主流方案，TOF有望拓展广阔应用市场
图像传感器逐渐从2D发展至3D，深度信息的带入使得手机、汽车、AR等应用的可拓展性变得越来越高，从2D走向3D是未来传感器发展的一大趋势。目前，3D传感的主流技术包括：双目视觉、结构光与TOF（time of flight）。双目视觉与结构光主要基于三角定位原理测距，TOF主要基于光的飞行时间测距。
双目视觉是基于视差原理并利用成像设备从不同位置获取被测物体的两幅图像，通过三角定位方法获取深度信息，属于被动式方案。但由于现实世界难以精准抓取定位点，目前推广度较差。
结构光技术原理是将结构光投射至物体表面，再使用摄像机接收该物体表面反射的结构光图案，根据物体距离不同而带来的形变再结合三角定位测算物体表面的空间信息。结构光是指一些具有特定模式的光，包括点、线、面等。
目前，结构光主要分为散斑结构光与编码结构光。散斑结构光的激光散斑具有高度的随机性，而且随着距离的不同会出现不同的图案，在同一空间中任何两个地方的散斑图案都不相同。只要在空间中打上这样的结构光然后加以记忆就让整个空间都像是被做了标记，然后把一个物体放入这个空间后只需要从物体的散斑图案中特征点的位移量，通过三角测量法可计算出所测物体的深度信息。
编码结构光法通过将一幅或多幅以特定的编码投射到待测物上，得到一幅对应的编码图像。利用编码方式对编码图像进行解码得到各像点所对应物点上的光线投射角，最后由结构光法基本公式获得景物的三维坐标。目前，散斑结构光的安全性与计算复杂程度高于编码结构光。
TOF方案原理是通过向目标物体发射红外光源，测量光在镜头和物体之间传输时间，通过光脉飞行时间来计算被测物体离相机的距离。TOF技术具备抗干扰性强、FPS刷新率更高的特性，因此在动态场景中能有较好表现。另外TOF技术深度信息计算量小，对应的CPU/ASIC计算量也低，因此对算法的要求更低。但相对于结构光技术，TOF技术的缺点在于其3D成像精度和深度图分辨率相对较低，功耗较高。
目前，3D传感主流应用技术为结构光与TOF。两种传感技术从原理上决定了其应用领域的不同，我们从测量距离、深度精准度、算法复杂度、扫描与响应速度、各类环境适应性、硬件成本进行对比分析，阐明两种技术各自适用的应用领域。
深度信息精准度方面，散斑结构光发射光源具有一定随机性，安全性最高，深度信息最为精准；而TOF深度信息精准度与发射光强度和图像传感器精度有关，精准度通常低于结构光方案。结构光目前可达1280*800，而TOF最高精度约为640*480。
测量距离方面，结构光需投射散斑或编码等结构性图案，远距离光强衰减过快，方案易失效；而TOF采用面光源，抗衰减好，适用测量距离更远。结构光测量距离在1.2m以内，TOF最高测量距离在5m至10m。而在算法复杂度、扫描响应速度、弱光与强光适应性以及硬件成本等方面上，TOF方案均优于结构光。
因此，结构光3D方案适用于对安全性要求高而测量距离较低的场景，例如人脸识别、AOI检测等。而TOF方案应用更加宽广，例如3D建模、游戏、导航、汽车避障、自动驾驶、手势捕捉、导航、AR等各个方面。
手机厂商持续布局3D传感技术，安卓TOF方案放量在即
3D结构光方案由苹果iPhone X正式打开消费电子市场，该方案来自2013年苹果收购的3D视觉整体解决方案提供商Primesense。苹果自2013年起，积极布局3D传感领域，并率先成功打开手机市场，持续引领3D传感技术的发展与应用。
自2017年9月苹果iPhone X发布搭载结构光3D感测功能后，安卓阵营逐步推广3D感测功能。至今，全球已发布结构光手机型号7款，TOF手机型号13款，其中2款手机前后各搭载一颗TOF摄像头。从已上市的手机来看，苹果手机前置采用散斑结构光实现面部解锁功能；安卓手机2018年有4台手机跟进结构光技术，小米采用编码结构光简化算法难度。结构光技术由于成本高、量产难度大以及算法复杂，目前在安卓阵营推广较慢。
2019年，安卓手机大量推广使用TOF摄像头，总计13款机型。荣耀V20与华为nova 5 Pro机型价位仅为2999元，3D感测功能正式走向中低端机型。华为Mate 30 Pro与三星S10 5G前后各搭载一颗TOF摄像头，有望引领2020年新机潮流。2019年可谓手机端TOF摄像头元年，预计2020年TOF摄像头渗透率仍将进一步提升。
3D传感
需求端：手机与汽车市场加速渗透，发射端新增元器件价值占比高
手机与汽车市场双引擎驱动3D传感加速渗透，2020年iPhone仍占据主要市场
3D传感除应用于智能手机外，还可广泛应用于工业视觉检测、汽车、AR/VR、游戏、医疗、军事、导航、科研等众多领域；尤其以TOF方案的高环境适应性、远距离感测以及快速响应等特性，TOF方案在未来有着更广阔的应用市场。
根据Yole的预测数据，全球3D成像和传感器市场规模在2017~2023年的CAGR为44%，2017年市场规模为21亿美元，消费、汽车与工业占比分别为19%、19%与38%。
预计至2023年，3D传感市场规模约为184亿美元，2017~2023年消费、汽车、医疗、工业与科研的CAGR分别为82%、35%、4%、12%、10%，消费与汽车将成为3D传感市场的最大增长引擎，预计2023年消费与汽车占比分别为75%与13%，消费端以手机为主要市场将占据3D传感的绝大部分份额。
3D传感未来的主要增长引擎在手机与汽车领域。手机端以结构光（Face ID）和TOF（3D建模功能开发）方案为主，汽车端以TOF摄像头为主进行测距、避障、自动驾驶以及车主识别等功能开发。我们根据手机和汽车摄像头出货量以及渗透率对2019~2021年的3D感测模组市场空间进行判断，预计2020年3D感测模组出货量合计3.55亿颗，对应市场规模约55.5亿美元。
其中，iPhone手机将成为2020年3D传感出货主要拉动力，预计iPhone12 Pro/Max将采用前置结构光+后置TOF结构，iPhone SE2不采用3D传感器，对应前置结构光出货量合计约为1.7亿颗，后置TOF出货量合计约为0.4亿颗。2020年预计iPhone合计3D传感模组约2.1亿颗，占比约59%。
发射端新增元器件价值量高，TOF方案有望以成本优势加速应用
3D传感模组通常由红外发射端、接收端以及图像处理芯片组成。结构光与TOF方案解码原理不同，但所需核心部件基本相同。发射端主要包括红外光源、准直镜头、DOE、模组组装等；接收端主要包括透镜、窄带滤光片、红外CIS等组件。
此外，3D传感器通常配合普通2D彩色镜头模组使用，彩色镜头即为原手机摄像头，非增量组件。3D传感图像处理芯片需将普通镜头模组拍摄的2D彩色图片和IR接收模组获取的3D信息集合，经算法处理得到具备3D信息的彩色图片；图像处理芯片包含核心算法，价值量较高。
3D传感器模组中各组件成本占比分别为：发射端占比约53.6%、接收端占比19.1%、图像处理芯片占比约27.3%。发射端中，VCSEL单颗价值量约2~2.5美金，占比约12.6%；准直镜头（由WLO技术生产）单模组价值量约3.5美金，占比约19.1%；衍射光学元件（DOE）单颗价值量约为2~3美金，占比约10.9%；模组组装单颗价值量约2美金，占比约10.9%。
3D传感单颗模组成本约10~20美金，其中结构光模组精度要求更高，单颗成本约20美金；TOF成本相对较低，约10~15美金。
3D传感
供给端：苹果抢占全球成熟产业资源，发射端组件壁垒高利润高
苹果抢占全球成熟产业资源，安卓厂商有望在TOF方案实现超车
在3D传感全球供应体系中，苹果率先抢占全球成熟资源，进入苹果产业链的供应商均为各细分领域领军企业。目前，苹果结构光Face ID方案应用成熟，客户认可度高，出货量远超非苹体系；而随着苹果手机新机型逐渐发布，同时据传iPhone12将加入后置TOF摄像头，届时将对苹果供应链各环节生产能力带来挑战，有望新增供应商。
目前，国内厂商在窄带滤光片（水晶光电）和接收端模组组装（欧菲光）已进入苹果3D传感产业链。
非苹产业链紧跟苹果产业链，多家厂商在原有业务上进行拓展，或者同时供应苹果与非苹果产业链。在非苹果产业链中，IR接收端与2D彩色镜头中大部分元器件主要是对存量产品应用领域的进一步扩大，除IR CIS与窄带滤光片外，其余元器件供应商主要为传统摄像头供应体系的拓宽与延续，价值量相对发射端要小。
3D传感供应体系中，发射端VCSEL、DOE、WLO、组装以及接收端IR CIS、Filter为全新增量市场，相较于传统彩色摄像头而言创造了新的产业，价值量更大。其余元器件大部分为传统彩色摄像头元器件的应用延伸，市场格局可参见《摄像头行业深度报告：光学创新蓄力充分，需求旺盛春意盎然》。
发射端新增元器件进入壁垒高，传统摄像头各环节龙头厂商有望业务延伸至3D传感领域
一、红外激光光源VCSEL
发射端红外激光光源由LED向VCSEL转变是必然趋势。目前光源主要有三种：红外LED、红外LD(激光二极管)和VCSEL(垂直腔面发射激光器)。VCSEL是以砷化镓化合物半导体材料为基础研制，主要包含激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔3大部分。相比较而言VCSEL光谱准确性更高、响应速度更快、使用寿命更长、投射距离更长，因此比LED光源具有明显优势，在智能设备中VCSEL将成为主流。
VCSEL是一种垂直表面出光的新型激光器，也是光纤通讯所采用的光源之一。VCSEL的制造依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺，在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。由于VCSEL主要采用三五族化合物半导体材料GaAs或InP(含有In、Al等掺杂)，因此移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。VCSEL产业由设计、外延片、晶圆代工、封测等四个环节组成，整个产业高度分工、专业化程度很高，拥有较高的技术门槛。
在VCSEL代工领域，我国台湾厂商稳懋占据全球主要份额，其与Lumentum紧密合作而成为苹果核心供应商。而宏捷科则拥有AMS入股，未来有望随着AMS而切入3D传感领域。VCSEL代工涉及化合物半导体晶圆加工，具有较高难度。而大陆地区化合物半导体厂商近年加大资金与研发投入，有望实现弯道超车。
二、准直镜头（WLO技术）
准直镜头用于对发散的激光光源进行准直处理，达到平行、均匀光斑的作用。目前准直镜头的制造工艺有 WLO（wafer level optics）、WLG（wafer level glass）和模造工艺。
WLO工艺在整片玻璃晶圆上，用半导体工艺批量复制加工镜头，多个镜头晶圆压合在一起，然后切割成单颗镜头。WLO工艺具有尺寸小、高度低、一致性好等特点，更适合移动端消费电子设备；其光学透镜间的位置精度达到nm级，是未来标准化的光学透镜组合的最佳选择。特别是在3D创发射端结构复杂的情况下，光学器件采用WLO工艺，可以有效缩减体积空间，同时器件的一致性好，光束质量高，采用半导体工艺在大规模量产中具有成本优势。
模造工艺是利用玻璃随温度的升高粘滞度降低的特性，从本质上说是一种热加工方法。WLG工艺使用纯玻璃材料，在高温下通过模具压制成型，可以在一片晶圆上一次压制成多个，具体数量取决于晶圆尺寸。模造工艺生产效率过低，WLG工艺工艺难度大且成本高，两种准直镜头加工技术均未实现大规模出货。而AMS（heptagon）采用WLO技术已大规模生产准直镜头用于iPhone 3D传感模组制造。
目前，WLO技术主要掌握在Heptagon（被AMS收购）、Himax奇景光电、VisEra采钰、Anteryon（被晶方科技收购）等厂商手中，其中Heptagon拥有大部分专利。WLO技术具有很高技术壁垒，全球具备规模量产能力的厂商极少。国内水晶光电参与一部分Filter镀膜工艺。福晶科技曾为JDSU、Finisar等光通信企业供给通信级准直镜头，有望拓展进军消费级准直镜头领域。华天科技和晶方科技在WLO方面布局较早，主要提供WLO加工技术。
2019年1月，晶方科技收购Anteryon 73%股份完成交割。Anteryon公司创始于1985年，前身是荷兰飞利浦的光学电子事业部，2006年从飞利浦分拆并独立成立为Anteryon公司，注册地位于荷兰埃因霍温市。该公司主要为半导体、手机、汽车、安防、工业自动化等市场领域，提供所需的光电传感系统集成解决方案，拥有30多年相关产品经验和完整的光电传感系统研发、设计和制造一条龙服务能力，其完整的晶圆级光学组件制造量产能力与经验系三维深度识别领域中微型光学系统和光学影像类集成电路模组所需的关键环节。
Anteryon的晶圆级光学元件制造能力与晶方科技WLCSP封装有着广阔的合作空间，尤其在3D Sensing摄像头领域；晶方科技有望与Anteryon技术融合后突破3D传感摄像头，开启新的增长动力。
三、衍射光学元件DOE
衍射光学元件（DOE）是将准直镜头校准后的光束转换成具有特征信息图案的光学元件。DOE利用计算机设计，结合半导体工艺，在基片刻蚀出高低不平、深浅不一的具有特定浮雕结构的纯相位衍射光学元件。DOE具有轻薄体积小、衍射效率高、设计自由度高、产品稳定性和一致性好等优点。根据应用场景不同，DOE分为光栅、分束器、光束整形器、多焦点激光透镜、涡镜头等种类，单价约2~3美元。
光学衍射元件DOE的制造门槛较高，苹果手机DOE组件由台积电采购玻璃后进行pattern，精材科技将台积电pattern后的玻璃进行堆叠、封装和研磨，然后交采钰进行ITO工序，最后由精材科技进行切割。台积电、精材与采钰均为台系厂商；其中，台积电持有精材40.94%股份，采钰为台积电与豪威合资设立的子公司。
此外，台湾地区的奇景光电也具有生产DOE的能力，目前正与高通合作。福晶科技为微软AR眼镜HoloLens联合研发DOE等相关元件，福晶科技主要从事各类功能晶体元器件、精密光学元器件和激光器件的研发、生产和销售。大陆初创公司驭光科技成立于2016年，主要从事设计与生产DOE产品；目前已进入安卓手机3D传感核心器件供应商，全资子公司嘉兴驭光光电可规模量产DOE器件。
四、窄带滤光片
目前通常使用红外光技术获取3D景深信息，而地表太阳光中近红外光频段内940nm处较为薄弱，因而940nm窄带滤光片被广泛使用于各类生物识别滤光片，包括人脸识别、指纹识别、手势识别、3D传感等。在IR发射端，VCSEL发射940nm波长的红外光；在接收端，使用窄带滤光片阻止偏离这一波段的光信号进入IR CIS芯片。窄带滤光片主要采用干涉原理，需要几十层光学镀膜构成，相比普通的RGB吸收型滤光片具有更高的技术难度和产品价格。目前行业内主要供应商为VIAVI和国内的水晶光电，这两家也是苹果iPhone X的窄带滤光片供应商。
除接收端需使用窄带滤光片外，发射端也可使用窄带滤光片过滤冗余激光能量，提高安全性与识别精准度。在发射端准直镜头加工工艺中，需晶圆级窄带滤光片镀膜工艺在 WLO准直镜头上加工，加工成本约0.1~0.2美金/颗。水晶光电已成为苹果产业链窄带的核心供应商，行业地位稳固。
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