集微网报道（文/李延）从2018年开始，ToF技术就成为了半导体行业全力打造的新明星，曝光度有增无减。手机大厂，如三星、华为、OPPO、vivo、小米、LG等也在中高端机型中配置了ToF镜头。稍显尴尬的是，在对消费者进行的调查中，很多人都认为ToF镜头的实际意义不大。
不过，在苹果公司今年发布了2020版iPad Pro以后，形势又为之一变。iPad Pro搭载了基于dToF模组的激光雷达扫描仪，配合苹果出色的AR应用，显示了ToF的真正实力。紧随其后，华为发布了同样配置ToF模组的P40系列和基于河图技术的AR地图。
ToF再一次站上了风口！
ToF的手机之旅
进入2020年，华为发布的P40、P40 pro，三星的S20+、S20 Ultra都搭载了ToF模组。该技术已经逐渐成为高端机型的必配。从无到有，ToF进入手机之旅也有不小的一段时间。
如果进行追溯，ToF首先在消费电子领域的应用是2013年，微软在Xbox游戏机的体感控制器Kinect V2.0中使用了3DV Systems的TOF技术，这个当时全球最小的ToF模组引发了市场的关注。
联想在2016年发布了智能手机Phab2 Pro，首次在智能手机中引入了ToF。这个由英飞凌和pmd联合打造的方案可以使用一些AR应用。不过，这次应用没有在市场中引起很大的反响。
有意思的是，苹果在随后发布的iPhone7 plus中也开始使用ToF传感器。这个产品是意法半导体为苹果定制的，放置在iPhone手机主扬声器上方，采用光学栅格阵列（LGA）封装形式，尺寸为2.8mm×2.40mm，小于意法半导体对外公开销售的任一款ToF传感器。随后没有大肆宣传，苹果反而在iPhone X中开始使用3D结构光，并不断进行推广。
为了与结构光进行区分，国内的安卓阵营开始在2018年引入ToF，OPPO R17 PRO与荣耀V20 都使用了索尼IMX 316 ToF传感器。这颗传感器尺寸为1/6英寸，有效像素则只有4.32万。与之相对，VIVO NEX 双屏版的ToF镜头使用了松下的CCD 方案。由松下提供CCD sensor传感器搭配ADI的控制芯片实现3D感测功能，并具备Face ID功能。这枚传感器的图像分辨率也达到了640×480 VGA级别，约30W有效像素。
图1 截止到2019年部分使用ToF的机型（来自Yole Développement）
在ToF不断主流化的进程中，多家芯片大厂都参与其中，但是索尼最终成为了传感器侧的霸主。2020年新发布的智能手机或iPad Pro，其中的ToF传感器都是索尼提供的。一位业内人士就表示：“因为在技术上超前，华米OV这样的大厂首先会采用索尼的产品，这也给国内的ToF传感器供应商造成不小的压力。”
从2015年收购比利时公司SoftKinetic获得ToF技术开始，索尼就开始不停地赶超对手。凭借在CMOS领域和系统方面的多年积累，索尼的ToF技术进展神速。到2019年最新的ToF模组问世时，其已经从3D感测接收器芯片的零市场份额上升到45％。
后起之秀dToF
“ToF会完全取代结构光，但是iToF和dToF会长期共存。”一位行业人士如此判断。
对于ToF技术来说，2020年最大的变化是dToF的崛起。因为苹果的示范作用，主流厂商都开始往dToF靠拢。
dToF和其他手机上装载iToF同属ToF技术，但两者的“个性”确大相径庭。dToF (direct time-of-flight) 技术直接测量光脉冲的发射和接收的时间差，iToF（indirect time-of-flight），通过传感器在不同时间窗口采集到能量值的比例关系，解析出信号相位，间接测量发射信号和接收信号的时间差。下图比较了四种主流的3D感应技术。
图2 4种主流3D感应技术比较（源自光鉴科技《ToF深度相机技术白皮书》）
结构光、iToF和dToF在技术上各有擅长。光鉴科技CTO汪博就表示：“在短距离、低成本上方案上，iToF更有优势。如果测量距离比较远，成本空间又大，则适合dToF。如果是近距离拍照，dToF的误差并不低，反之，iToF、结构光更精准。”
不过，dToF技术在测量精度、功耗、信号处理等诸多方面的优势明显，只是工艺难度制约了其发展。仅在精度这一方面，除了对时钟同步有非常高的精度要求以外，还对脉冲信号的精度有很高的要求。
再者，由于安全性考虑以及消费电子产品本身的功耗限制，激光发射器发出的脉冲能量有限，但是需要覆盖完整的视场区域，光脉冲在经过反射回到接收器时，能量密度降低了很多倍。同时，环境光作为噪声，会干扰接收器对于信号的检测和还原。因此，dToF方案需要灵敏度极高的光探测器来检测微弱的光信号。
采用SPAD（单光子雪崩二极管）阵列可以满足这些要求，不过掌握技术的厂家并不多，而且集成难度大。故此，在前几年的中高端手机中出现的都是iToF。
还需说明的是，dToF的工作距离与发射端VCSEL（垂直腔表面发射激光器）光源的功率直接相关。要想实现远距离工作，就需要提高发射端VCSEL光源的功率，或者将脉冲周期缩短到纳秒级别，以提升脉冲瞬时功率。苹果dToF所采用的新一代VCSEL，正是在极短的时间内产生了数倍于普通VCSEL的高强度的红外脉冲激光，从而实现了5m工作范围内的高精度3D深度感知。
最后，在系统集成方面， dToF芯片要集成淬火电路，TDC、存储单元以及运算单元，还需要将功耗控制在很低水平，这也极端考验设计者的功力。
还差一个导火索
从2018年开始，市场上就一直看好ToF的起飞。曾有机构预测，2019/2020 年全球搭载 TOF 模组的智能手机出货量分别为4300万和1.5亿部。考虑到华为、三星等部分高端机型搭载前后TOF模组，预测2019/2020年全球智能手机的TOF 模组合计为5700万和1.83亿个。
2019年的情况基本和预期相符，但多事的2020年打乱了市场的节奏。“我们预测2020年搭载ToF的手机出货量为1.2亿部。”来自产业资本的投资人王华告诉集微网。
据他透露，国内一家顶尖的手机ODM公司2020年拿到的ToF项目也就是5、00-600K的数量。其中，华为是300K，小米有100K左右。
这其中有成本方面的考量。据供应链的消息，iToF模组的成本一直在10美元左右，dToOF成本稍高，接近15美元左右。从国外媒体发布的S20 Ultra BOM清单中，也证实了这一说法。
图3 三星S20 Ultra BOM清单
以厂商的角度来看，ToF方案也有很多不成熟的地方。炬佑智能CEO刘洋表示：“在一些应用场景，需要动态算法的地方，没有厂家能全部覆盖到。比如，如果周围环境发生改变，物体发射率不一样了，ToF就无法做出调整。”
“而且，ToF技术发展时间较短，传感器还没有标准化，第三方也很少，生态还未完全形成。”刘洋补充道。
除去这些基础层面，还有非常重要的一点就是缺乏应用引领。“市场很火热，但是头部厂商还是比较谨慎。”王华分析原因，认为没有什么应用能发挥ToF的功能。
ToF的强项是景深测量，硬伤是分辨率低，所以还无法承担面部识别及相关的工作。容亿投资创始合伙人刘宏春就表示：“无论是成本，还是生产难度，ToF模组都比较高，所以厂商只能放在旗舰机上。而且担心功耗影响大，所以没有去大肆推广，只不过表明我已经有了这项技术。”
拓墣产业研究院研究经理蔡卓卲也表示：“手机品牌厂导入ToF镜头，现阶段是取代景深镜头，并提供更好的拍照效果，做为多镜头的规格竞赛，不过长期而言，是着眼于未来5G时代的AR应用展开的铺路。”
要推动应用发展，需要头部厂商发力，苹果已经给了很好的示范作用。利用dTOF摄像头，iPad pro可以实现很多好玩又适用的AR应用。如果同预测一样，苹果在今年9月份发布的iPhone 12上配备ToF摄像头，一个AR硬件生态就会显露雏形。
国内手机厂商方面，华为对ToF的热情度最高，也有一个明晰的发展路径。在P40系列的同时，华为推出了基于华为河图技术的AR地图。这款AR地图可实现具有厘米级3D地图精度，1：1还原真实世界;高精度空间计算;AI、3D物体识别;虚实光影追踪等能力。华为用ToF的空间感知能力与彩色摄像头的高质量成像能力结合，实现真实世界人物与虚拟数字内容逼真的实时遮挡效果。
据了解，华为的思路是要实现地球级的XR，要做到全场景覆盖，同时扩展到10米以上的应用。如此宏伟的架构，ToF就是其中必不可少的一环。
放眼手机之外，ToF也在其他领域不断进行尝试。近期，科沃斯等厂家在扫地机器人中使用了ToF相机，替换了传统的激光雷达，在整体成本大幅下降的同时，产品也更加小巧、轻薄。还有汽车中的驾驶者疲劳监测、替代固体激光雷达、自动泊车，都是ToF理想的应用场景。只是这些应用都还处于起步阶段，尚难以拉动产业增长。
据IHS Markit报告，ToF未来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，其次是平板电脑市场、建筑物检测、智能家居、汽车中控、无人机等应用领域。
国内供应链兴起
“今年的市场规模比去年扩大了好几倍，而且客户也都知道ToF是怎么回事，该怎样用了。”这是刘洋对市场的切身感受。
这番改变的背后，也是整个国内供应链开始成熟的表现。纵观TOF产业链，方案、算法、发射端泛光照明器和接收端近红外摄像头是产业的四大支柱。四个部分中，方案部分由国外大厂完全统治，包括微软、pmd、ams、ST、TI、 Melexis、索尼、松下等。接收端方面，如ToF传感器，除索尼、ST、ams、英飞凌外，炬佑智能、聚芯微电子等一批厂商也已经开始崭露头角。
不过接收端也是国内产业链差距较大的地方。下图是华为Mate 30 Pro TOF 摄像头供应链。可以看出，其他环节都有国内厂商的身影，只有ToF传感器这环被索尼占据着。
图4 华为 Mate 30 Pro TOF 摄像头供应链（源自东方财富证券研究所）
索尼凭借着多年的积累和IDM模式，在CMOS图像传感器领域打遍天下无敌手，基本占据了半数的全球市场份额。早在2017年，索尼就开发出具有VGA分辨率（640×480）的背照式ToF图像传感器IMS456QL。而国内的主要厂商，在2020年底才能实现VGA分辨率ToF传感器的量产。不过，差距也在缩小，国内厂商的研发实力正逐步增强，并通过一系列特有技术来提高产品竞争力。
发射端的核心器件是VCSEL激光器。全球能够生产工业级VCSEL的IDM厂商有Lumentum、Finisar(被美国II-VI收购)、Philips Photonics(被德国通快收购)和Princeton Optronics(被 AMS 收购)等。iPhone的点阵投影仪和泛光照明器中的VCSEL均来自Lumentum，安卓的3D结构光产品中的VCSEL主要来自Princeton Optronics(ams)，其次还有 Philips Photonics(通快)。国内厂商方面，初创企业纵慧芯光凭借出色表现已经成功打入了华为供应链。还有不少以光通讯或LED芯片背景的企业也在布局VCSEL，如光迅科技、华芯半导体、华工科技、三安光电、乾照光电等。
VCSEL激光器由工业级应用转向消费级后，难点在于保持性能的情况下实现小型化。不过，ToF用的VCSEL激光器无需编码，工艺难度小于结构光，相对容易实现。
模组方面，国内厂商一直比较活跃。舜宇光学、欧菲光等厂商都很早就开始了ToF方面的布局。舜宇光学具有镜头这一垂直领域优势，同时还拥有众多元器件的子公司，实现了产业链垂直整合。欧菲光则通过战略投资获得模组、镜头和VCSEL芯片，打通产业链。舜宇和欧菲都已经打入了主流厂商（华为、三星、OPPO等）的供应链，随着ToF渗透率的提高，将会带动国内产业生态的进一步发展。
因为持续火热，ToF也引发了一波又一波的资本市场“追星热潮”。围绕ToF的融资事件不断上演，金额也在快速加码。就在近期，聚芯微电子宣布完成1.8亿元B轮融资。其中1.2亿元由和利资本领投，源码资本跟投，6千万元由湖杉资本、将门创投及知名手机产业链基金的联合投资。同时，纵慧芯光获得了华为控股的哈勃科技投资有限公司的入股。此外，炬佑智能、柠檬光子、唐晶量子等国内领先企业，也开启了最新一轮的融资过程。
有AR应用开路，苹果、华为等大企业护航，ToF的长期前景是不用质疑的。对于国内企业来说，最重要的还是要掌握核心技术。毕竟，对于一个新兴的行业，短期发展取决于供应链，长期发展还是要看取决于技术的演进。（校对/Humphrey）
（文中王华为化名）
