今年 8 月,三星发布下半年的年度旗舰手机 Galaxy Note20 系列,传言其旗舰机型 Galaxy Note20 Ultra 将取消 ToF 镜头,原因是作用不大。然近日,笔者在 “ST FlightSense ToF 传感器线上媒体交流会”上却发现 Galaxy Note20 Ultra 使用了意法半导体的 FlightSenseTM ToF 传感器,据悉这是世界上首个多区块多合一测距传感器模块。打脸传言之外,不禁要问一句:“ToF 真的日薄西山了吗?”与非网决定带着小伙伴们一探究竟。


什么是 ToF 传感器?


TOF 是 Time of flight 的简写,直译为飞行时间,是主流的 3D 成像技术之一(另外两个是括结构光和双目测距)。按技术路线分,目前市面上的 ToF 产品可分为两类:dToF(直接飞行时间,direct-ToF)和 iToF(间接飞行时间,indirect-ToF)。


dToF:通过直接向测量物体发射光脉冲,并测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,得到光的飞行时间,从而直接计算待测物体的深度,具有深度算法相对简单、低功耗、抗干扰性好等优势,但用以实现较高精度的 SPAD 是其难点所在。


iToF:通过发射特定频率的调制光,检测反射调制光和发射的调制光之间的相位差,测量飞行时间,具有传感器电路相对简单、成本低、分辨率较高等优势,但从原理上看,调制频率越高则测距精度越好,高调制频率意味着对应的测距距离不能太大,并且环境光会对电路产生干扰。因此,测距精度的实现一定程度上限制了最大测距距离,而配套的深度算法是解决该系列问题的要点和难点所在。


 
图源 | 国盛证券研究所


ToF 真的日薄西山了吗?企业和市场侧观点不谋而合


从去年开始,ToF 无用论就开始在互联网中蔓延,有经验用户的投诉,诸如“影响屏占比,对戴眼镜人的不友好,解锁角度刁钻,不支持互联网支付,还不如 2D 人脸识别”等等,因此有了文首的质疑,并纷纷猜测其他手机厂商也会跟着弃用 ToF。
事实真的如此吗?非也,除了小米以外的国内安卓手机都在主推 iTOF 技术,而前面提到的三星高端机和 iPhone 12 系列则是引入了最新一代的 dTOF 技术。究其原因,这些手机厂商一方面希望其相机在复杂的场景中能够更快、更准确地对焦,另一方面是给未来的 AR 生态试水。


此外,如果你认为 ToF 的应用主要停留在手机侧,那你就 out 了。


意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术市场经理张程怡告诉与非网,“除了消费电子中的自动对焦、接近检测和存在检测以外,ToF 传感器还被用在工业、医疗、无人机等领域。”


 
图源 | 意法半导体


另据全球市场调研机构 IHS 的报告显示,“2018 年全球 TOF 传感器市场规模为 3.7 亿美元,2019 年其市场规模达到 5 亿美金,同比+35%。随着 ToF 传感器技术的进步,测距目标数、精度及响应能力等进一步提升,应用终端有望从个人电子设备拓宽至工业设备,如服务型机器人、室内无人机、智能楼宇 / 照明、物联网设备等,预计 2022 年 TOF 传感器市场规模有望达到 15 亿美元。”企业侧和市场侧观点不谋而合。


 
图源 | IHS


ToF 传感器的竞争焦点在哪里?


在未来 15 亿美元的市场上,谁能够分得蛋糕?除了取决于市场战略外,最重要的还是要有硬货,那什么才是硬货?细心的小伙伴可能已经在 IHS 的报告中已经发现一二。没错,测距目标数、精度以及响应能力就是衡量 ToF 传感器的核心指标,篇幅受限,今天我们就以 dToF 为例展开来讨论一下。


 
图源 | 麦姆斯咨询(dToF 横截面示意图)


众所周知,SPAD 是 dToF 技术中的难点,这点在文章前部分也有所提及,那我们为什么要在 dToF 中引入 SPAD 呢?这是因为 dToF 需要检测纳秒甚至皮秒级的光脉冲信号,因而对光的敏感度要求会很高,因此在接收端,我们通常会选择 SPAD(单光子雪崩二极管)或者 APD(雪崩光电二极管)这类传感器来实现,而这两种传感器的集成度弱于普通的 CMOS 图像传感器,其像素尺寸一般大于 10μm,因而分辨率通常较差,成本更高。此外,dToF 本身电路设计又比较复杂,需占据较大的片上尺寸,而 SPAD 作为 dTOF 技术的核心,不仅技术难度大,而且制作工艺复杂,因此目前世界上只有极少数的厂家具备量产能力,包括意法半导体、索尼、英飞凌和索尼等几家。


 
图源 | 腾讯优图(dToF 实现难点)


虽然意法半导体、索尼、英飞凌和索尼,甚至包括三星在内的一些企业都在布局 ToF 产业,但论覆盖广度,还是意法半导体一马当先,这也体现在了出货量上面,意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术市场经理林国志告诉与非网,“ST 的 ToF 产品去年年底出货量累计已达 10 亿颗,其中在市场上销售的手机中,也已经有 200 多款采用了 ST 的 ToF 方案。如此成绩的背后,一方面得益于其产品的测距准确度不受目标颜色和反射率的影响,另一方面得益于意法半导体的 FlightSense™产品系列的安全保障和丰富度,可以满足不同客户和不同应用的要求,比如将小型化做到极致的单区接近检测传感器VL53L3CX,比如基于全幅 FOV 视场角,测距能力最远可达 8 米的单区或多区检测传感器VL53L1CB,又比如支持每秒 15 帧的 64 区测距,或每秒 60 帧的 4 x 4 / 16 区测距输出,FoV 视场角可设置的中远距离测距传感器VL53L5CX。” 


 
图源 | 意法半导体


写在最后


一家企业的崛起离不开市场、客户的需求,一个行业的崛起离不开成熟的生态链。着眼于未来,意法半导体这一家从 1986 年就开始做影像产品的公司,他们相信自己有足够的能力去满足市场需求的变化,比如百点、千点,甚至万点的 dToF,比如 100 万像素高分辨率的 iToF。而对于 ToF 行业而言,有人认为 AR/VR 产业是 ToF 传感器的蓄能池,一旦 AR/VR 产业被做起来,ToF 传感器行业必将爆发。