ToF技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈分析

科技飛速的發(fā)展，AR/VR、無人駕駛、智能掃地機(jī)器人等產(chǎn)品進(jìn)入我們的生活。這些產(chǎn)品得以應(yīng)用與深度傳感器密切相關(guān)。深度傳感器是通過對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描生成電信號并傳回處理器的一個(gè)電子元件。傳感器的原理就像我們的感官系統(tǒng)一樣，能夠感知周圍事物并將感知傳遞到大腦，讓大腦進(jìn)行判斷并作出指令。目前深度傳感器以技術(shù)區(qū)分可分為三種：結(jié)構(gòu)光深度傳感器、雙目立體視覺傳感器、TOF(time of flight）深度傳感器。本文主要對TOF深度傳感器進(jìn)行介紹。

（圖片來源：索尼官網(wǎng)）

ToF的基本原理是通過紅外發(fā)射器發(fā)射經(jīng)過處理的光脈沖射線，光與物體接觸后進(jìn)行反射，反射回來的光被接收器識別接受，并通過統(tǒng)計(jì)光脈沖從發(fā)射到反射被接收的時(shí)間計(jì)算出傳感器與物體的實(shí)際距離。這種調(diào)制方式對發(fā)射器和接收器的要求較高，光速那么快，對于時(shí)間的測量有極高的精度要求。

在實(shí)際應(yīng)用中主要是通過以下三種方式來判斷光飛行的時(shí)間的。一是發(fā)射脈沖光并測量它們經(jīng)反射后返回的時(shí)間間隔；二是調(diào)制光源的振幅并記錄反射光波的相移；三是發(fā)射占空比為50%的方波，并記錄在特定間隔內(nèi)到達(dá)的返回光量。

與其他幾種深度傳感器技術(shù)相比，ToF技術(shù)主要有下面幾點(diǎn)優(yōu)勢：

成本低，使用ToF傳感器能夠有效地降低設(shè)備成本，ToF傳感器與結(jié)構(gòu)光傳感器或雙目立體傳感器相比更為便宜。

探測距離遠(yuǎn)，ToF傳感器的工作原理是通過統(tǒng)計(jì)發(fā)射的激光往返時(shí)間來判斷距離的，因?yàn)榧す獾膿p耗較小能夠探測更遠(yuǎn)的距離。

快速，ToF傳感器采用的是激光探測，光速相較于其他使用超聲波的傳感器更快，且受自然環(huán)境因素影響小。

智能家居、智能出行已經(jīng)開始進(jìn)入我們的生活，這些產(chǎn)物的普及帶動了TOF深度傳感器快速發(fā)展。據(jù)IHS Markit報(bào)告，基于ToF方案的多方面優(yōu)勢，預(yù)計(jì)2022年ToF市場規(guī)模將達(dá)到15億美元，占3D傳感市場的50%左右。

完整的ToF傳感器產(chǎn)業(yè)鏈主要由發(fā)射測距激光的垂直共振腔面激光發(fā)射器（VCSEL）廠商、保持發(fā)出的光均勻的衍射光學(xué)器件（DOE）廠商、傳感器核心的芯片廠商、模組廠商組成。

VCSEL的國外供應(yīng)商主要有II-VIIncorporated、Finisar、AMS、Lumentum等，國內(nèi)供應(yīng)商主要有縱慧芯光、光迅科技、三安光電等，DOE供應(yīng)商有鯤游光電、Viavi等，芯片供應(yīng)商有三星、TI、松下、微軟、高通、索尼、意法半導(dǎo)體、ADI、英特爾等，模組供應(yīng)商有舜宇光學(xué)、歐菲光、海伯森、立訊精密、丘鈦科技、威豪等。

Lumentum是全球VCSEL的龍頭企業(yè)，是蘋果、華為、OPPO等手機(jī)廠商的供應(yīng)商，并且是為數(shù)不多的能夠滿足VCSEL大批量供貨需求的廠商之一，并于今年3月發(fā)布了高功率五結(jié)和六結(jié)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列產(chǎn)品。Lumentum自進(jìn)入傳感器市場以來，邊發(fā)射激光器發(fā)貨量達(dá)5000萬顆，VCSEL發(fā)貨量超8億顆。據(jù)Lumentum財(cái)報(bào)顯示2021年第四季度營收為1.921億美元，同比增長7%，其中在3D傳感器市場同比增長40%，創(chuàng)歷史新高。

縱慧芯光國內(nèi)第一家擁有VCSEL 自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片公司。在2019年全球 ToF 傳感器市場中占比32.6%排名全球第二。2018年為被Lumentum斷供VCSEL的華為提供VCSEL實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。據(jù)Yole Development預(yù)測，到 2026 年，用于汽車和移動設(shè)備的 VCSEL 將增長至 5700 萬美元，復(fù)合年增長率為 122%。

DOE方面，鯤游光電是我國一家專注光學(xué)的高科技企業(yè)，對3D成像中的DOE器件頗有研究，現(xiàn)量產(chǎn)型完整8寸滿副DOE晶圓良率可達(dá)97.5%以上。

在ToF芯片方面，由于ToF技術(shù)對靈敏度要求較高，目前ToF傳感器芯片市場主要還是以國外大廠三星、索尼、AD等為主，索尼在攝像頭領(lǐng)域一直都處于領(lǐng)先地位，并于2015年收購擅長TOF影像技術(shù)的Softkinetic公司，索尼的感光芯片多應(yīng)用于國產(chǎn)手機(jī)的TOF方案中。ADI在ToF芯片方面也是十分具有優(yōu)勢的，ADI能為客戶提供一系列解決方案，包括芯片、算法、激光驅(qū)動器、電源管理等，為客戶提供一站式服務(wù)。在國內(nèi)市場，炬佑智能也是可以量產(chǎn)ToF芯片的企業(yè)，于2019年該企業(yè)推出國內(nèi)首顆ToF智能光控芯片，據(jù)公開信息表示炬佑智能將會在2021年推出業(yè)內(nèi)最小尺寸像素（鉆石像素）的分辨率達(dá)百萬級的ToF芯片，以填補(bǔ)國內(nèi)市場。

在TOF模組方面，舜宇光學(xué)、歐菲光、威豪等國內(nèi)廠商都憑借各自的垂直領(lǐng)域優(yōu)勢占據(jù)著龍頭地位。歐菲光早在2017年就開始對TOF傳感器領(lǐng)域布局，并擁有多項(xiàng)專利，TOF模組已可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，現(xiàn)應(yīng)用于小米掃地機(jī)器人中。據(jù)公開信息顯示2020年，歐菲光3D ToF模組產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入10.22億元；綜合毛利率16.12%。

5G時(shí)代的到來，無人駕駛、工業(yè)機(jī)器人等智能設(shè)備改善了我們的生活，TOF在成本、感知距離和延遲方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，并且供貨穩(wěn)定，成為了很多智能設(shè)備廠商首選的方案。