集微網報導（文/李延）從2018年開始，ToF技術就成為了半導體行業全力打造的新明星，曝光度有增無減。手機大廠，如三星、華為、OPPO、vivo、小米、LG等也在中高端機型中配置了ToF鏡頭。稍顯尷尬的是，在對消費者進行的調查中，很多人都認為ToF鏡頭的實際意義不大。
不過，在蘋果公司今年發布了2020版iPad Pro以後，形勢又為之一變。iPad Pro搭載了基於dToF模組的雷射雷達掃描儀，配合蘋果出色的AR應用，顯示了ToF的真正實力。緊隨其後，華為發布了同樣配置ToF模組的P40系列和基於河圖技術的AR地圖。
ToF再一次站上了風口！
ToF的手機之旅
進入2020年，華為發布的P40、P40pro，三星的S20+、S20Ultra都搭載了ToF模組。該技術已經逐漸成為高端機型的必配。從無到有，ToF進入手機之旅也有不小的一段時間。
如果進行追溯，ToF首先在消費電子領域的應用是2013年，微軟在Xbox遊戲機的體感控制器Kinect V2.0中使用了3DV Systems的TOF技術，這個當時全球最小的ToF模組引發了市場的關注。
聯想在2016年發布了智慧型手機Phab2 Pro，首次在智慧型手機中引入了ToF。這個由英飛凌和pmd聯合打造的方案可以使用一些AR應用。不過，這次應用沒有在市場中引起很大的反響。
有意思的是，蘋果在隨後發布的iPhone7 plus中也開始使用ToF傳感器。這個產品是意法半導體為蘋果定製的，放置在iPhone手機主揚聲器上方，採用光學柵格陣列（LGA）封裝形式，尺寸為2.8mm×2.40mm，小於意法半導體對外公開銷售的任一款ToF傳感器。隨後沒有大肆宣傳，蘋果反而在iPhone X中開始使用3D結構光，並不斷進行推廣。
為了與結構光進行區分，國內的安卓陣營開始在2018年引入ToF，OPPO R17 PRO與榮耀V20 都使用了索尼IMX 316 ToF傳感器。這顆傳感器尺寸為1/6英寸，有效像素則只有4.32萬。與之相對，VIVO NEX 雙屏版的ToF鏡頭使用了松下的CCD 方案。由松下提供CCD sensor傳感器搭配ADI的控制晶片實現3D感測功能，並具備Face ID功能。這枚傳感器的圖像解析度也達到了640×480 VGA級別，約30W有效像素。
圖1 截止到2019年部分使用ToF的機型（來自Yole Développement）
在ToF不斷主流化的進程中，多家晶片大廠都參與其中，但是索尼最終成為了傳感器側的霸主。2020年新發布的智慧型手機或iPad Pro，其中的ToF傳感器都是索尼提供的。一位業內人士就表示：「因為在技術上超前，華米OV這樣的大廠首先會採用索尼的產品，這也給國內的ToF傳感器供應商造成不小的壓力。」
從2015年收購比利時公司SoftKinetic獲得ToF技術開始，索尼就開始不停地趕超對手。憑藉在CMOS領域和系統方面的多年積累，索尼的ToF技術進展神速。到2019年最新的ToF模組問世時，其已經從3D感測接收器晶片的零市場份額上升到45％。
後起之秀dToF
「ToF會完全取代結構光，但是iToF和dToF會長期共存。」一位行業人士如此判斷。
對於ToF技術來說，2020年最大的變化是dToF的崛起。因為蘋果的示範作用，主流廠商都開始往dToF靠攏。
dToF和其他手機上裝載iToF同屬ToF技術，但兩者的「個性」確大相逕庭。dToF (direct time-of-flight) 技術直接測量光脈衝的發射和接收的時間差，iToF（indirect time-of-flight），通過傳感器在不同時間窗口採集到能量值的比例關係，解析出信號相位，間接測量發射信號和接收信號的時間差。下圖比較了四種主流的3D感應技術。
圖2 4種主流3D感應技術比較（源自光鑑科技《ToF深度相機技術白皮書》）
結構光、iToF和dToF在技術上各有擅長。光鑑科技CTO汪博就表示：「在短距離、低成本上方案上，iToF更有優勢。如果測量距離比較遠，成本空間又大，則適合dToF。如果是近距離拍照，dToF的誤差並不低，反之，iToF、結構光更精準。」
不過，dToF技術在測量精度、功耗、信號處理等諸多方面的優勢明顯，只是工藝難度制約了其發展。僅在精度這一方面，除了對時鐘同步有非常高的精度要求以外，還對脈衝信號的精度有很高的要求。
再者，由於安全性考慮以及消費電子產品本身的功耗限制，雷射發射器發出的脈衝能量有限，但是需要覆蓋完整的視場區域，光脈衝在經過反射回到接收器時，能量密度降低了很多倍。同時，環境光作為噪聲，會干擾接收器對於信號的檢測和還原。因此，dToF方案需要靈敏度極高的光探測器來檢測微弱的光信號。
採用SPAD（單光子雪崩二極體）陣列可以滿足這些要求，不過掌握技術的廠家並不多，而且集成難度大。故此，在前幾年的中高端手機中出現的都是iToF。
還需說明的是，dToF的工作距離與發射端VCSEL（垂直腔表面發射雷射器）光源的功率直接相關。要想實現遠距離工作，就需要提高發射端VCSEL光源的功率，或者將脈衝周期縮短到納秒級別，以提升脈衝瞬時功率。蘋果dToF所採用的新一代VCSEL，正是在極短的時間內產生了數倍於普通VCSEL的高強度的紅外脈衝雷射，從而實現了5m工作範圍內的高精度3D深度感知。
最後，在系統集成方面， dToF晶片要集成淬火電路，TDC、存儲單元以及運算單元，還需要將功耗控制在很低水平，這也極端考驗設計者的功力。
還差一個導火索
從2018年開始，市場上就一直看好ToF的起飛。曾有機構預測，2019/2020 年全球搭載 TOF 模組的智慧型手機出貨量分別為4300萬和1.5億部。考慮到華為、三星等部分高端機型搭載前後TOF模組，預測2019/2020年全球智慧型手機的TOF 模組合計為5700萬和1.83億個。
2019年的情況基本和預期相符，但多事的2020年打亂了市場的節奏。「我們預測2020年搭載ToF的手機出貨量為1.2億部。」來自產業資本的投資人王華告訴集微網。
據他透露，國內一家頂尖的手機ODM公司2020年拿到的ToF項目也就是5、00-600K的數量。其中，華為是300K，小米有100K左右。
這其中有成本方面的考量。據供應鏈的消息，iToF模組的成本一直在10美元左右，dToOF成本稍高，接近15美元左右。從國外媒體發布的S20 Ultra BOM清單中，也證實了這一說法。
圖3 三星S20 Ultra BOM清單
以廠商的角度來看，ToF方案也有很多不成熟的地方。炬佑智能CEO劉洋表示：「在一些應用場景，需要動態算法的地方，沒有廠家能全部覆蓋到。比如，如果周圍環境發生改變，物體發射率不一樣了，ToF就無法做出調整。」
「而且，ToF技術發展時間較短，傳感器還沒有標準化，第三方也很少，生態還未完全形成。」劉洋補充道。
除去這些基礎層面，還有非常重要的一點就是缺乏應用引領。「市場很火熱，但是頭部廠商還是比較謹慎。」王華分析原因，認為沒有什麼應用能發揮ToF的功能。
ToF的強項是景深測量，硬傷是解析度低，所以還無法承擔面部識別及相關的工作。容億投資創始合伙人劉宏春就表示：「無論是成本，還是生產難度，ToF模組都比較高，所以廠商只能放在旗艦機上。而且擔心功耗影響大，所以沒有去大肆推廣，只不過表明我已經有了這項技術。」
拓墣產業研究院研究經理蔡卓卲也表示：「手機品牌廠導入ToF鏡頭，現階段是取代景深鏡頭，並提供更好的拍照效果，做為多鏡頭的規格競賽，不過長期而言，是著眼於未來5G時代的AR應用展開的鋪路。」
要推動應用發展，需要頭部廠商發力，蘋果已經給了很好的示範作用。利用dTOF攝像頭，iPad pro可以實現很多好玩又適用的AR應用。如果同預測一樣，蘋果在今年9月份發布的iPhone 12上配備ToF攝像頭，一個AR硬體生態就會顯露雛形。
國內手機廠商方面，華為對ToF的熱情度最高，也有一個明晰的發展路徑。在P40系列的同時，華為推出了基於華為河圖技術的AR地圖。這款AR地圖可實現具有釐米級3D地圖精度，1：1還原真實世界;高精度空間計算;AI、3D物體識別;虛實光影追蹤等能力。華為用ToF的空間感知能力與彩色攝像頭的高質量成像能力結合，實現真實世界人物與虛擬數字內容逼真的實時遮擋效果。
據了解，華為的思路是要實現地球級的XR，要做到全場景覆蓋，同時擴展到10米以上的應用。如此宏偉的架構，ToF就是其中必不可少的一環。
放眼手機之外，ToF也在其他領域不斷進行嘗試。近期，科沃斯等廠家在掃地機器人中使用了ToF相機，替換了傳統的雷射雷達，在整體成本大幅下降的同時，產品也更加小巧、輕薄。還有汽車中的駕駛者疲勞監測、替代固體雷射雷達、自動泊車，都是ToF理想的應用場景。只是這些應用都還處於起步階段，尚難以拉動產業增長。
據IHS Markit報告，ToF未來主要的應用市場還是來自智慧型手機市場，預計2020年對應市場規模超過6億美元，佔整個市場的90%以上，其次是平板電腦市場、建築物檢測、智能家居、汽車中控、無人機等應用領域。
國內供應鏈興起
「今年的市場規模比去年擴大了好幾倍，而且客戶也都知道ToF是怎麼回事，該怎樣用了。」這是劉洋對市場的切身感受。
這番改變的背後，也是整個國內供應鏈開始成熟的表現。縱觀TOF產業鏈，方案、算法、發射端泛光照明器和接收端近紅外攝像頭是產業的四大支柱。四個部分中，方案部分由國外大廠完全統治，包括微軟、pmd、ams、ST、TI、 Melexis、索尼、松下等。接收端方面，如ToF傳感器，除索尼、ST、ams、英飛凌外，炬佑智能、聚芯微電子等一批廠商也已經開始嶄露頭角。
不過接收端也是國內產業鏈差距較大的地方。下圖是華為Mate 30 Pro TOF 攝像頭供應鏈。可以看出，其他環節都有國內廠商的身影，只有ToF傳感器這環被索尼佔據著。
圖4 華為 Mate 30 Pro TOF 攝像頭供應鏈（源自東方財富證券研究所）
索尼憑藉著多年的積累和IDM模式，在CMOS圖像傳感器領域打遍天下無敵手，基本佔據了半數的全球市場份額。早在2017年，索尼就開發出具有VGA解析度（640×480）的背照式ToF圖像傳感器IMS456QL。而國內的主要廠商，在2020年底才能實現VGA解析度ToF傳感器的量產。不過，差距也在縮小，國內廠商的研發實力正逐步增強，並通過一系列特有技術來提高產品競爭力。
發射端的核心器件是VCSEL雷射器。全球能夠生產工業級VCSEL的IDM廠商有Lumentum、Finisar(被美國II-VI收購)、Philips Photonics(被德國通快收購)和Princeton Optronics(被 AMS 收購)等。iPhone的點陣投影儀和泛光照明器中的VCSEL均來自Lumentum，安卓的3D結構光產品中的VCSEL主要來自Princeton Optronics(ams)，其次還有 Philips Photonics(通快)。國內廠商方面，初創企業縱慧芯光憑藉出色表現已經成功打入了華為供應鏈。還有不少以光通訊或LED晶片背景的企業也在布局VCSEL，如光迅科技、華芯半導體、華工科技、三安光電、乾照光電等。
VCSEL雷射器由工業級應用轉向消費級後，難點在於保持性能的情況下實現小型化。不過，ToF用的VCSEL雷射器無需編碼，工藝難度小於結構光，相對容易實現。
模組方面，國內廠商一直比較活躍。舜宇光學、歐菲光等廠商都很早就開始了ToF方面的布局。舜宇光學具有鏡頭這一垂直領域優勢，同時還擁有眾多元器件的子公司，實現了產業鏈垂直整合。歐菲光則通過戰略投資獲得模組、鏡頭和VCSEL晶片，打通產業鏈。舜宇和歐菲都已經打入了主流廠商（華為、三星、OPPO等）的供應鏈，隨著ToF滲透率的提高，將會帶動國內產業生態的進一步發展。
因為持續火熱，ToF也引發了一波又一波的資本市場「追星熱潮」。圍繞ToF的融資事件不斷上演，金額也在快速加碼。就在近期，聚芯微電子宣布完成1.8億元B輪融資。其中1.2億元由和利資本領投，源碼資本跟投，6千萬元由湖杉資本、將門創投及知名手機產業鏈基金的聯合投資。同時，縱慧芯光獲得了華為控股的哈勃科技投資有限公司的入股。此外，炬佑智能、檸檬光子、唐晶量子等國內領先企業，也開啟了最新一輪的融資過程。
有AR應用開路，蘋果、華為等大企業護航，ToF的長期前景是不用質疑的。對於國內企業來說，最重要的還是要掌握核心技術。畢竟，對於一個新興的行業，短期發展取決於供應鏈，長期發展還是要看取決於技術的演進。（校對/Humphrey）
（文中王華為化名）