去年苹果 iPhone X 搭载 Face ID 功能,掀起了产业对 3D 感测的高度关注,今年以来 Android 阵营厂商如华为、小米等预期将跟进。拓墣产业研究院预计,至 2020 年全球智能手机 3D 感测模块产值将达 108.5 亿美元。


此前外媒报道,目前 3D 感测关键 VCSEL 器件供应量仍不足,最快要到 2019 年,3D 感测功能才有机会在 Android 智能手机上使用。市场研究机构 Yole Developpement 的 MEMS 与成像技术研究主管 Pierre Cambou 表示,因为苹果 TrueDepth 摄像头技术设立了高门坎,他预测其他竞争对手可能需要一年以上的时间才能提供 iPhone X 媲美的 3D 感测技术。因此,现阶段 Android 阵营主要选择屏下指纹识别方案,如已发布的 Vivo X20 Plus UD,以及将发布的小米 7、魅族 16、三星 Note 9 等。


尽管如此,预期 Android 阵营仍会跟进搭载 3D 感测模块。


3D 感测技术最关键也最具挑战的部分,在于能够进行精确的距离量测,而各家算法不同形成了专利壁垒,也让每家 3D 感测模块零组件产生些微差异。目前较常见的感测技术包括 Stereo Vision、Structured Light 及 Time of Flight(ToF)。


3D 感测技术供应商阵营方面,除了苹果阵营的 Lumentum/II-VI 外,在 Android 阵营中,解决方案较完整(有能力提供模块)的供应商实际上并不多,目前已出货 3D 感测模块给手机厂商的是 Google 阵营,由德国 PMD 设计 IR CIS 和英飞凌代工,关键的 VCSEL 由 Princeton Optronics 提供。另一个阵营是高通+Himax(奇景光电)方案,由高通提供解决方案和芯片设计,奇景提供 WLO 和 DOE 等光学器件。

 


高通+Himax 方案是当前较为成熟的 Android 3D 感测方案,Himax 掌握方案核心算法和硬件设计制造能力,提供完全整合的结构光模组(SLiM、Structured Light Module)3D 感测整体解决方案。据海通电子报告,Himax 参与了大部分元器件的设计、自制,包括自制 DOE 和 WLO,设计 ASIC、CIS、激光发射器 IC,以及整个 Tx 模组的集成,其中 ASIC 中嵌入了高通的 3D 深度图生成算法。同时,Himax 还自主设计了 AA 设备应用于 Tx 端组装。预计 18Q1 末 SLiM(结构光)产能会达到 2kk/ 月,主要由大陆手机品牌消化。除 SLiM 外,Himax 当前为客户提供的 3D 感测组件 / 方案包括 WLO(for Apple)、高通+Himax SLiM(for 安卓高端机)、双目视觉方案(for 安卓低端机),WLO 已经量产。双目视觉方案主要是应用两个摄像头模拟 3D 视觉,用编码光来增强图像深度信息。Himax 的双目视觉 3D 感测方案主要目标客户是中低端安卓机,定价不到 10 美金。


Himax 是台湾地区显示驱动 IC 领域的领先厂商,2006 年在美国上市以来不断扩展新领域的研发,包括 CMOS 图像传感器、LCOS 微型显示器等,随后与高通携手进入 3D 感测,具有包括 Rx 端 CIS 尺寸仅仅是普通手机 CIS 模组的 20%,超过 33000 个投射光斑、20~100cm 范围内误差率低于 1%等优点,可以说是当前 Android 阵营中最高质量的 3D 感测 SLiM 方案,一举成为 Android 阵营的首选。除此之外,Himax 在去年下半年已经开始为苹果供应 WLO 产品,后续 SLiM 的爆发以及整个行业的快速发展也将带动公司 WLO 产品迅速上量。


海通电子研报指出,Himax 之所以有实力提供一整套解决方案、并参与大部分核心器件设计或制造,主要是基于其在 NIR CMOS sensor 领域的深厚积淀、WLO/DOE 等器件领域的精密制造能力以及对激光发射器模块的组装和测试能力。Himax 在 3D 感测领域积淀深厚,无论是方案成熟度、量产进度,还是核心算法、零组件、方案的设计,都位居 Android 阵营前列,后续有望充分畅享行业爆发的盛宴。

VCSEL 主要供应商由苹果把持,Android 阵营退而求其次
由 iPhone 与高通+Himax 两种方案的供应链比较可以看出,3D 感测的关键零组件 VCSEL 是目前 ToF 和 Structured Light 等技术常用的光源,边缘发射激光器(Edge-Emitting Laser,EEL)是另一种方案,不过 VCSEL 拥有更佳光束质量、较低光束发散度、能耗较低、模块体积也更有优势。iPhone 使用的是 VCSEL,高通+Himax 使用的是 EEL。 

 

 

VCSEL 利用半导体制程生产,Apple 阵营采用 6 英寸砷化镓晶圆做切割,但目前业界能达到 6 英寸量产的厂商并不多;其他 VCSEL 供应商目前能量产的多数为 4 英寸、少数为 3 英寸,使市场整体供需情况紧绷,也连带影响非苹阵营导入 3D 感测技术的速度。


此外,VCSEL 主要供应商 Lumentum 与苹果间存在专利协议,使得 Android 阵营若欲在短期内跟进只能舍 VCSEL 而择 EEL,然而 EEL 的光电转换效率较差,且成本较高,这将使 Android 阵营的 3D 感测方案在效率与成本上仍难与苹果匹敌。相对普通前置摄像头,搭载 3D 感测模组将使成本增加 20 美元~25 美元,华为、OPPO、vivo、小米等手机厂商都将其规划在不追求量大高端机型上,只有成本大幅下降后,主流机型才有可能应用,预计还需等到 2019 年。
 


据拓璞产业研究院指出,保守估计 2018 年最多可能仅有两家 Android 厂商跟进,包括华为及呼声亦高的小米,但是生产数量都不会太多,所以苹果仍将是手机 3D 感测的最大采用者。预计 2018 年全球搭载 3D 感测模块的智能手机生产总量将达到 1.97 亿支,其中 iPhone 就占了 1.65 亿支。此外,2018 年的 3D 感测模块市场产值预估约为 51.2 亿美元,其中由 iPhone 贡献比重高达 84.5%。


产能、良率、成本三大挑战,联发科、联咏准备入局
在快速增长的市场需求面前,高通+Himax 方案一方面产能不能远远不能满足,另一方面 3D 感测模组的调试也是一个问题。年初据产业链透露,有少数模组厂的 3D 摄像头模组向高通送样时隔一两个月仍未收到调试完成的信号,模组厂商目前只好一边等待,一边不停地提高良率。由于高通的调试进度并不理想,量产进度恐怕有所拖延。


目前 Android 阵营 3D 感测模组主芯片基本由高通提供,在巨大的市场潜力面前,联发科早已准备入局。据悉,联发科也打算以 APU 供应商的角色加入 3D 传感战场,打算以卷积神经网络(CNN)──类似于苹果的神经引擎──来支持生物识别。业内人士表示,联发科将会与奥比中光设计的 3D 摄像头结合,在未来替小米提供 CNN 加速器。


在今年的 MWC 上,联发科就展出了手机 3D 传感摄像头,而全新的 P 系列芯片平台将支持奥比中光 3D 传感摄像头。2016 年联发科就入股奥比中光,其平台参考设计与后者的 3D 传感技术的完整适配。在全年 iPhone X 发布两个月之后,奥比中光便将模组送样至联发科及国内 TOP 3 的手机厂商,由此,奥比中光也成为我国第一个送样手机前置 3D 摄像头的厂商。


此外,台湾地区另一大 IC 设计厂商联咏也从奇景光电挖了几名研发人员,都是当初 Google Glass 开发项目的核心团队成员,可见联咏在 3D 感测方面也有所动作。


高通+Himax、联发科+奥比中光,以及后入局的联咏,是否能使 Android 阵营 3D 感测技术更进一步,最终能否媲美 iphone X?产业都拭目以待。