后置3D传感应用迎蓬勃发展

随着iPhone X上市，Apple为消费领域的3D传感技术和使用带动新趋势。Android手机制造商即另辟蹊径，以ToF技术取代结构光。如今，ToF正在重塑3D传感模组的价值…

根据市场研究公司Yole Développement的最新调查显示，全球3D成像与传感市场将以20%的年均复合成长率(CAGR)从2019年的50亿美元成长至2025年达到150亿美元。

自2017年9月iPhone X上市后，苹果(Apple)在消费领域为3D传感设立了技术与用例标准。两年后，Android手机制造商另辟蹊径，采用飞时测距(ToF)相机取代结构光，并将其置于手机背面。

Yole光电、传感与显示业务技术与市场分析师Richard Liu补充道：“相较于结构光，ToF模组在发射端只需一个垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)和一个扩散片，降低了复杂性。藉由背照式(BSI)感光技术，ToF传感现在已有了大幅改善。成熟的生态系统也为他们带来了成本优势。这就是ToF之所以能赢得Android手机厂商青睐的主要原因。”

毫无疑问，3D传感的主要趋势是从手机前部到后部的转变以及ToF相机的大量采用。 Yole在其年度成像技术与市场分析《3D成像与传感》报告中指出，后置将超过前置，其市场渗透率将在 2025年达到近42%。

3D后置传感应用多元化

移动设备上的3D后置传感技术应该增加应用用例的多样性。它最初被用于照相，以提高散景(bokeh)和变焦性能，现在将扩展到扩增实境(AR)和游戏领域。除了智能手机，ToF相机模组面前还有着广阔的应用市场，包括自动驾驶、机器人、智能家居、智能电视、智能监控和VR/AR等。目前ToF传感技术在这些领域中的应用仍然处于起步阶段。

3D传感市场的重要性意味着从成像到传感的转变正在发生。由人工智能(AI)驱动的设备和机器人开始对其周围环境更加了解，并发展出更深层次的人机互动。用于先进驾驶助系统(ADAS)的立体相机就是3D成像与传感技术备受期待的应用之一。

Liu解释，“目前已有许多供应商聚焦于这项应用中最重要的元件——光达。市场上也有大量可供选择的LiDAR技术，使得这一领域竞争日趋激烈。”

除了车用ADAS，物流业中的工业自动导引车(AGV)以及商业领域中的脸部辨识和刷脸支付也都十分成功。 3D传感技术就这样变得越来越无处不在。包括全域快门图像传感器、VCSEL、射出成型以及玻璃光纤、绕射光学元件(DOE)和半导体封装技术等供应商们正从中获益。

与结构光方案相比，ToF方案的复杂度较低，在发射端仅需要垂直腔面发射激光器（VCSEL）和扩散片（diffuser）。由于采用背照式（BSI）技术，ToF图像传感器现在有了很大的改进。在成熟的3D视觉生态系统中，ToF方案也拥有成本优势。这些是ToF赢得安卓智能手机厂商青睐的主要原因。

3D成像和传感技术在智能手机中的应用

智能手机的后置3D传感应用案例已经显现，并成为新一轮增长驱动。首先是摄影应用，以增强散景（bokeh）和变焦能力，其次是增强现实（AR）应用及游戏。除智能手机之外，ToF方案在智能驾驶、机器人、智能家居、智能电视、智慧安防等领域都拥有广阔的发展前景。目前，ToF技术在这些领域的应用还处于起步阶段。

Yole预计全球3D成像和传感市场将从2019年的50亿美元增长到2025年的150亿美元，复合年增长率（CAGR）为20%。3D视觉市场的重要性意味着从成像到传感的演变正在我们眼前发生。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术驱动的设备和机器人对周围环境有更深入的理解，并发展到与人类互动的新水平。高级驾驶员辅助系统（ADAS）和自动驾驶汽车是备受期待的3D成像和传感应用，而激光雷达（LiDAR）则是这项应用的重要传感组件，正在被大量的厂商关注。激光雷达的技术路线多样，创新企业也不断涌现。

3D成像和传感市场预测（2019~2025年）

此外，物流行业的自动引导车（AGV），以及商业领域的3D人脸识别和人脸支付也都非常成功。可见，3D传感技术正快速走向普及的道路。因此，3D传感核心元器件，如近红外图像传感器、VCSEL、滤光片、扩散片和衍射光学元件（DOE）、注塑和玻璃光学器件等，都将从中受益。本报告为您提供有关3D成像和传感市场及技术的真知灼见。

3D摄像头模组核心元器件（双目立体视觉 vs. 飞行时间法 vs. 结构光）

ToF重塑3D传感模组价值

那么，ToF的应用对于供应链有何影响？

Yole成像业务总分析师Pierre Cambou指出，“移动设备3D传感供应链正快速变化中。就像2017年结构光技术被导入iPhone一样，包括Lumentum、艾迈斯(ams)和意法半导体(STMicroelectronics )赢得了第一轮。接下来，Princeton Optronics (ams旗下子公司)和Finisar已经准备好进军VCSEL市场，因此市场确实很快就会充满竞争。”

2019年，工程材料和光电元件供应商II-VI Incorporated收购了Finisar，并协助其巩固了现有的工业业务。在此期间，还另外发生了几起大型并购案，如Philips Photonics被创浦(Trumpf)收购，ams买下欧司朗(OSRAM)。 Trumpf和ams正积极向Android阵营的3D相机供应链迈进，分别为三星(Samsung)和华为(Huawei)提供VCSEL。

此外，还有另一家中国公司也正进军3D传感生态系统：用于ToF的泛光发射器之VCSEL输出光束无需编码，因此更容易产生。这有助于中国供应商纵慧芯光(Vertilite)加入该市场，同时还赢得了华为的2019年3D传感器订单。此举也受到在中美贸易冲突期间中国培养当地供应链的政策推动。

对于移动设备后置3D传感来说，ToF阵列是关键的元件。 ToF相机技术在201年首先应用于Phab 2 Pro智能手机，它采用的是pmd和英飞凌(Infineon Technologies)两家公司的ToF阵列。在此之前一年，Sony买下了比利时手势辨识公司SoftKinetic，取得其知名的DepthSense ToF传感系统。到2019年ToF相机模组起飞之时，此举已让Sony在3D传感接收器芯片市场的占有率从零攀升至45%。凭借其强劲的技术实力和供应产能，预计Sony将保持其于ToF领域的领导地位。

然而，由于CMOS图像传感器(CIS)芯片制造业一直竞争不断，这一领域的竞争也将随之加剧。 pmd则与英飞凌联手推出一款可以与之匹配的芯片。 Yole分析师预计CIS巨擘三星和意法半导体将在今年各自推出间接ToF阵列传感器。三星已在其Galaxy Note 10+中采用了ToF技术。 System Plus Consulting已在其反向工程与成本分析报告《三星Galaxy Note 10+ 3D飞时测距技术深度传感相机模组》一文中对其进行了深入分析。

ToF技术正在提升3D传感模组的价值，出货量快速增长

在消费电子领域中，智能手机厂商正迅速制定自己的3D传感策略。预计苹果将在2020年的iPad Pro甚至iPhone中使用后置ToF摄像头，而前置3D人脸识别摄像头仍可能使用结构光方案。Yole还预计苹果可能会使用定制版CMOS图像传感器，将手机视觉扩展到人眼功能之外，以实现AR导航等功能。苹果的加入将加快ToF技术在安卓智能手机中的渗透速度，因此业界普遍乐观地认为，2020年将有更多集成ToF摄像头的产品落地。本报告预测2020年集成ToF功能的智能手机出货量将达到1.73亿部。

智能手机前置和后置3D摄像头模组的技术演进

5G时代推动物联网应用的同时，各种智能设备对3D成像和传感的需求也在增加。ToF凭借其成本优势和出色的实时感知能力，将成为主流的3D视觉方案。特别是在AR和VR应用中，对避免眩晕的时间延迟有很高的要求，这意味着ToF是最适合的空间定位技术。在汽车应用中，ToF技术可实现手势识别、车内驾驶员状态监测和车外目标探测等功能。在工业物流中，ToF技术将挖掘许多新应用，如物流和引导机器人的避障系统、包裹外形尺寸测量等。此外，还有家庭中使用的扫地机器人。本报告预测，2025年ToF摄像头模组的年出货量将达到6.8亿个，约占整个3D成像和传感市场的60%。

3D成像和传感生态系统蓬勃发展，中国厂商涌入竞逐

智能手机3D成像和传感供应链正在迅速变化。随着结构光方案于2017年引入苹果iPhone，Lumentum、艾迈斯半导体（ams）和意法半导体（STMicroelectronics）等厂商成功摘取了第一波3D成像和传感应用的果实。后来，普林斯顿光学（Princeton Optronics）和菲尼萨（Finisar）杀入VCSEL市场，使得竞争激烈的局面出现。2019年，II-VI收购Finisar，这有助于巩固竞争实力。在此期间，还有其它几项大型合并行为，例如通快（Trumpf）收购飞利浦光电子（Philips Photonics），ams吞并欧司朗（OSRAM）。Trumpf和ams都在积极进入安卓智能手机阵营的3D摄像头供应链，分别向三星（Samsung）和华为（Huawei）提供VCSEL产品。

聚焦中国市场，我们发现众多初创公司正在进入3D成像和传感生态系统。在ToF摄像头方面，由于泛光照明器中的VCSEL输出光束不需要编码，因此更容易设计及量产。这有助于一家名为纵慧芯光（Vertilite）的中国VCSEL供应商进入智能手机市场。他们已经在2019年获得了华为的VCSEL订单。在中美贸易冲突发生之际，华为培育本土供应链的政策也推动了这一举措。

3D成像和传感的供应链情况

ToF图像传感器是智能手机后置3D摄像头的关键组件。ToF摄像头于2016年首次应用于智能手机：Phab 2 Pro，该款手机使用pmd和英飞凌（Infineon）联合开发的ToF图像传感器。在此前一年，索尼（Sony）收购了比利时手势识别公司SoftKinetic，该公司拥有著名的DepthSense——ToF传感方案。然后到2019年，ToF摄像头市场起飞时，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图像传感器市场的领先地位。但是，类比可见光CMOS图像传感器（CIS）芯片制造领域的竞争格局，我们认为ToF图像传感器的竞争将会加剧。pmd与英飞凌最近发布了一款极具竞争力的ToF图像传感器。业界预测CMOS图像传感器巨头三星和意法半导体将在2020年推出自己的ToF图像传感器。

从中期来看，随着汽车激光雷达应用的发展，我们将会看到更多的并购行为。全球有大量极具竞争力的创新公司值得期待，包括中国的禾赛科技（Hesai Technology）和速腾聚创（RoboSense）等。无论是智能手机3D摄像头，还是汽车激光雷达，他们所需的半导体组件是相似的：图像传感器/探测器、光源（如VCSEL/EEL）、光束操纵组件（如MEMS微镜、DOE）以及其它光学元件。毫无疑问，3D成像和传感生态系统将在2020年继续壮大！

整体而言，这场竞争在一小群CIS厂商中依然相当激烈。从中期来看，Yole预计随着汽车LiDAR应用可能加入，将会出现更多的并购(M&A)机会。届时将有大量极具竞争力的新兴公司，其中还包括几家中国新创公司，如禾赛科技(Hesai Technology)、速腾聚创(RoboSense)和镭神智能系统有限公司(LeiShen Intelligence)，提供大致上相同的基本半导体产品，包括CIS芯片、VCSEL、MEMS、晶圆级光学元件等。