一下子,3D 传感市场突然就热闹起来了,不仅芯片大厂接连推出新品,新创公司也陆续加入战局,转眼 3D 传感就变成了红海市场,战云密布。

 
然而 3D 传感的确是一个深具潜力的技术,不仅智能手机可以搭载,AR 和汽车也都有运用的空间,其市场其实正处于起飞期,究竟会达到什么样的规模其实还很难估计。
 
根据集邦科技(TrendForce)的调查分析,光在移动设备上的 3D 传感模组市场产值就出现了跳跃式的成长,市场规模预计将从 2017 年的 15 亿美元,成长到 2020 年的 140 亿美元,年复合成长率为 209%。未来若 AR 和汽车也开始逐步采用 3D 传感技术,则相关的元件市场更会呈现倍数的成长,因此相关的供应链无不加紧研发或者扩增产能。
 
本篇报导就整理了近期相关业者的产品与技术布局状况,让读者对当前 3D 传感市场的发展有所知悉。
 
低成本、高精度 ToF 技术成应用主流
首先得先介绍一下时差测距(time-of-flight,飞时测距)技术。不同于使用 2D 图像来推算 3D 资讯,ToF 是透过红外光在空气中的飞行时间,计算出目标体的距离。ToF 技术也是机器视觉工业的重要里程碑,因其只需要使用低成本的 CMOS 传感器和主动光源技术就能提供 3D 场景的距离景深资讯。
 
此外,不同于单点逐点扫描方式,ToF 是每个图元都能测量对应目标体的亮度和反射回来的到达时间,从而计算出该点对应的距离景深。ToF 提供了视角范围内场景的整个分辨率的距离景深资料。该技术结构简单,容易使用,不依赖环境光,且兼具高精度和高帧率。
 
图一: ToF 的技术原理(source: terabee . com)
 
Lumentum 收购 Oclaro 龙头地位更加稳固
3D 传感器的龙头美商 Lumentum,在 3 月 12 日正式收购光通讯创新解决方案供应商 Oclaro,更加奠定了其 3D 传感市场一哥的地位。
 
Lumentum 目前是苹果的 VCSEL 技术的独家供应商,更是 3D 传感器市场的指标业者。该公司为 3D 传感应用提供了一系列全面的雷射二极体产品,包含边缘发射的雷射二极体,光纤耦合雷射二极体,以及当前火红的 VCSEL。
 
在今年的美国西部光电展(SPIE Photonics West)中,Lumentum 与合作伙伴 Himax 展示了针对移动设备平台的 Face ID 面部辨识的应用。Himax 在其 SLiM 模组中采用了 Lumentum 的雷射二极体,晶圆级光学器件(WLO),和衍射光学元件(DOE)。
 
另一家 3D 感应合作伙伴 Orbbec 在其 Astra Mini 相机中使用 Lumentum 雷射二极体。这款高度紧凑的平台非常适合各种设置,包括手势控制,机器人技术,3D 扫描,以及能运用至从学校到工业环境,甚至零售场所的移动设备的点云(point cloud)应用的开发。
 
Occipital 则将 Lumentum 的雷射技术运用在其 Bridge 混合实境的头戴设备上,让用户可以将虚拟内容与其真实世界环境无?连结。
 
老牌雷射光学厂 Finisar 今年将大秀 VCSEL 技术
Finisar 是全球最大的光通信器件产品的供应商,旗下产品同样横跨消费性与工业应用,而其 VCSEL 技术同样拥有一定的市场占有率。
 
在今年的美国西部光电展上,Finisar 也展示了用于深度感应应用的 VCSEL 技术,能在消费性电子设备上实现 3D 面部识别的应用。此外,该公司还将推出新型高速光电探测器,并从其测试和测量产品组合中展示 WaveSource 可编程雷射技术。
 
图二: Finisar 在 VCSEL 技术已研发超过二十年,其在 1996 年就首次实现商业化。
 
Finisar 的 3D 传感辨识技术同样是使用了结构光和 ToF 深度传感技术,能为消费性电子和自动驾驶车辆提供了许多新的应用,包括 3D 面部辨识,扩增实境(AR)和汽车电子 LIDAR 的应用。
 
事实上,Finisar 在 VCSEL 技术已研发超过二十年,其在 1996 年就首次实现商业化,从那时起,Finisar 便不断研发,设计和制造该产品技术,并拥有领先市场的效能。而 Finisar 更表示,在今年稍晚将会发表极具竞争力的 VCSEL 参考设计。
 
英飞凌携手 pmdtechnolgies AG 主打手机辨识
虽然没有自有 3D 传感器技术,但英飞凌(Infineon)找了一个相当强大的合作伙伴:pmdtechnolgies AG,共同合作推出新一代 3D 影像传感芯片解决方案,专门针对有传感需求的移动设备,提供非常小尺寸且高效的传感与辨识功能。
 
这款传感芯片采用飞时测距(ToF)技术,内建英飞凌的 REAL3 处理芯片,是全球最小巧的摄影机模组,面积不到 12mmx8mm,并内含接收光学元件与 VCSEL(垂直腔面发射雷射)照明。
 
英飞凌指出,该款芯片集结了德国与奥地利两地团队的专业知识,于德国慕尼黑和奥地利格拉兹研发,并在德国德勒斯登生产。而相较于其他 3D 传感原理(例如:立体光或结构光等),ToF 技术在电池供电的移动设备能提供更佳的效能、尺寸、及功耗表现。
 
图三: 英飞凌与 pmdtechnolgies AG,共同合作推出新一代 3D 影像传感芯片解决方案。
 
跳脱消费性市场 ams 前进车用市场
奥地利微电子(ams AG)一直是传感器市场的佼佼者,其传感器产品也早早就打进苹果(Apple)供应链中,但为持续巩固其领先位置并于 3D 传感市场占据一席之地,在去年就并购了 VCSEL 厂 Princeton,强化其供应链与产能,也与其他的零组件业者结盟,扩大其市占率和应用版图。
 
为了拓展中国汽车市场,ams 与中国舜宇光学科技集团(Sunny Optical Technology 子公司宁波舜宇光电信息(Ningbo Sunny Opotech 合作,共同开发和行销 3D 传感影像方案,以供应中国和全球其他地区的移动设备与汽车应用 OEM 市场。
 
ams 在新闻发布里指出,这项合作结合了双方在光学传感与影像空间的技术,为 OEM 和系统供应商提供吸引人的 3D 传感方案,加速高效能 3D 影像系统的上市时程。
 
根据双方的合作内容,ams 和宁波舜宇光电将合作为 3D 传感应用开发影像方案,并提供相关软件和演算法。这项伙伴关系聚焦于全球 OEM 移动设备与智能型手机商机,以促成创新的 3D 消费者应用,并且将延伸至汽车 3D 传感影像系统商机。
 
意法半导体推出世界最小的 ToF 模组主打小型应用
而同样看好 3D 传感器市场的商机,意法半导体(STMicroelectronics;ST)近期也发布了第二代镭射测距传感器 VL53L0。新款传感器同样基于其市场知名的 FlightSense 技术,能实现更快、更远、更精确的测距功能,大幅提升手机和平板电脑的拍照性能,为机器人、使用者辨识、无人机、物联网和穿戴式设备市场开拓新的应用机会。
 
ST 指出,这款 VL53L0 传感器尺寸仅有 4.4 x 2.4 x 1mm,是世界上最小的 ToF 模组,同时还是首款整合了 940 纳米制程的 VCSEL 光源、SPAD 光子检测器和先进微控制器的测距传感器。
 
VL53L0 能够在一帧画面内完成全部测量操作,用时通常小于 30ms,距离小于 2 米,能大幅改善拍照系统在摄像和连拍模式下瞬间对焦的性能,甚至在低光或低对比度场景中保持同样的性能表现。此外,由于测距精确度非常出色,VL53L0 还可提升智能手机应用性能,包括双摄像头深度图(dual-camera-based depth-mapping)。
 
图四: ST 指出,这款 VL53L0 传感器尺寸仅有 4.4 x 2.4 x 1mm,是世界上最小的 ToF 模组。
 
3D 传感技术新创公司:上海数迹智能科技
中国是 3D 传感器业者的重点市场,不仅因其具有庞大的智能型手机市场,同时在汽车、物联网与各式工业应用也具备相当的发展潜力,因此除了国际大厂争相进入外,新创的业者也是陆续展露头角,上海的数迹智能科技便是其中一家。
 
数迹智能科技主要专注于 3D 智能模组的研发,提供 SmartTOF 系列 3D 智能模组,以及针对 VR/AR,机器人,无人机等产业的整合解决方案。根据该公司的简介,他们已与国际级的 3D 传感器厂商合作,目前拥有多项技术专利,也已有数项的合作成果。
 
该公司的产品包含一款 SmartToF 3D(TCM-E2 系列)镜头模组,也是采用 TOF 技术的 CCD 深度传感器,尺寸小于 35mm,输出可达 320x240 @ 60fps,测距范围可达 8 公尺,测量的精度可达毫米级。此外,抗环境光达 130Klux,可室外使用,也能依据客户的需求客制化,并提供 SDK 跨平台(Windows /Linux /ROS/Android)支持。