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一文看懂ToF市场现状

2020-07-31 10:00:00
一文看懂ToF市场现状

3D ToF市场的发展正呈现出飙高的趋势,不仅市场规模在未来5年内还将迅速扩张,而且供应链参与者近两年正持续着十分活跃的市场动作,还有企业正准备入市。与此同时,在技术方向上,ToF正面临一次重大决策。这些都是3D ToF市场迈向成熟之前的征兆。

怎么理解“ToF”一词?

ToF(Time of Flight)本身是个相当有趣的词,它描述的是一种技术或者方法。通常ToF可被认为是某一种3D感知/成像技术。这种技术的出现,远早于ToF一词本身在市场上被众人所知的时间。前几年,手机前置光学模组中的距离感应器开始应用ToF技术,手机后置摄像头加入应用了ToF技术的激光对焦模组,ToF这个词在市场上的热度还没有太大。

《国际电子商情》姊妹平台《电子工程专辑》在今年5月份发布的《消费电子ToF技术与市场分析报告》中曾提到过,虽然当前很多人在提到ToF时,首先想到的是ToF摄像头,将其限定在一定发射能量级别,以及一定模组尺寸范围内;但ToF技术的应用范围,至少还覆盖了超声波、无线电波等十分广泛的测距产品中。

从这个意义上来说,ToF作为存在于不同领域的测距或3D感知技术,普通的车载雷达、激光雷达,乃至一些声纳、UWB超宽频定位追踪装置都可以认为是ToF设备。但以当前约定俗成的说法,我们在谈到雷达这样发射能量级远大于手机ToF摄像头的设备时,经常不将其划归为“ToF设备”。意法半导体大中华区及南亚区影像事业部技术市场经理张程怡在接受《国际电子商情》采访时就曾表示:“激光雷达一般不与我们的ToF设备归到同一类。发射、接收这样一类技术应用的产品太广泛了。但其能量级别、有效角度、频率等都不一样。”

大部分市场参与者如英飞凌,也普遍在产品列表中将雷达传感器与ToF图像传感器严格区分开。这种约定俗成也就让ToF这个词,拥有了相对狭义及广义的不同市场范畴。在ToF作为一种产品出现时,它便特指应用了ToF光学测距技术,且发射能量级别相对偏弱的设备。恰好,当前手机中应用很广的ToF摄像头就符合这一属性。

智能手机是ToF最大市场

循着这个狭义的定义,才好观察当前ToF市场的发展情况。不过在讨论这个问题之前,首先还是有必要搞清楚如今我们在说到ToF产品时,究竟在说什么。要知道意法半导体在手机领域,就有广阔的ToF传感器市场。张程怡表示,过去5、6年间,意法半导体的ToF出货量超过了10亿,包括手机、平板、投影仪、机器人、闸机等。

早在2014年,手机前置距离传感器面临一波革命,手机的前置测距方案普遍开始改用更复杂的ToF结构:即包含了发射端和接收端,发射端主动发出光子,在碰到场景中的障碍物时返回,并由接收端接收。此间不管发出的是脉冲还是调制连续波,计算的无论是光的“飞行时间”还是相位差,这都是典型的ToF技术。

只不过这一时期的ToF技术还仅应用于单点的光学测距:意法半导体的这10亿出货量,不仅有手机的前置距离传感器,还有后置摄像头的激光辅助对焦;另外也包括了智能家居中的应用,典型如扫地机器人的避障;以及体验加强类的应用,像是闸机的靠近检测等。

甚至在新冠疫情期间,“我们观察到,孩子在家中使用平板时间变久了,我们就考虑做一个阅读距离的检测,这对长时间面对屏幕使用电子设备就显得很重要。”张程怡表示。ToF在单点光学测距市场现在的需求也依旧强势。

但这种单点的光学测距和3D感知,仍然略有不同。3D感知可看作是光学测距从单点向多点的发展。而ToF技术在3D感知领域的应用,才是近两年ToF一词真正火热的原因。以意法半导体10亿ToF模组出货量为代表的市场实则已经在数年的发展中相对成熟,但它和我们探讨的3D ToF并不具有太大的相关性。

带动3D感知这个大类技术名声大噪的,是苹果的Face ID面部识别技术。不过Face ID应用的是结构光。华为、LG、vivo等厂商为了追上3D面部识别的步伐,为自家智能手机选择的3D感知技术皆为ToF。此后应用于3D感知的ToF产业链便开始了一路高歌猛进。

从Yole Developpement的数据来看,2017年3D感知市场的应用主力仍然是工业和商用,占到当时整个市场的38.1%;但预计到2023年,不仅3D感知市场规模会以44%的年复合增长率大幅攀升,而且消费市场将一跃成为3D感知的绝对主力。

图1,来源:Yole Developpement

在今年针对3D感知的报告中,Yole Developpement对这一市场数据做了一些修正(图1):2019年,3D感知市场规模预计为50亿美元,2025年大约达到150亿美元:手机和汽车成为其中最重要的应用场景,分别占到整个3D感知市场的54%与25%(这里的汽车3D感知,主要指智能驾驶舱内部的感知系统,而非外部ADAS);而工业应用在整个市场上的占比预计收缩至11%。

此处数据呈现需要在意几个问题:第一,这里的3D感知并非仅限ToF,3D感知与成像的主流技术还包括立体视觉、结构光、聚焦合成等。第二,这里的ToF特指3D感知的ToF,而不包含前述应用在单点光学测距中的ToF模组。

图2,来源:IHS Markit

当前已有对于ToF市场的单独统计并不多,但我们依然可以从其他维度来观察这一市场。IHS Markit预测2019年,3D光学传感器市场,ToF传感器市场规模超过5亿美元;而近两年ToF图像传感器在其中的占比正越来越高(图2)。考虑到立体视觉、结构光方案在3D感应技术中仍是主流,ToF传感器可在其中分得半壁江山,已经体现出ToF技术的相当分量。

一文看懂ToF市场现状

3D ToF市场的发展正呈现出飙高的趋势,不仅市场规模在未来5年内还将迅速扩张,而且供应链参与者近两年正持续着十分活跃的市场动作,还有企业正准备入市。与此同时,在技术方向上,ToF正面临一次重大决策。这些都是3D ToF市场迈向成熟之前的征兆。


图3,来源:IHS Markit

IHS Markit的另一份数据则切分了ToF传感器在不同应用市场的份额情况(详见图3)。显然手机以明显更大的占比,成为3D ToF应用市场上的最大组成部分。

从这些数据来看,3D感知市场目前仍然处在高速发展期,尤其是消费电子与汽车领域。ToF即是受惠于这一趋势的发展主力。而在3D ToF领域赚大钱的,显然都是在手机中部署ToF组件的那些市场参与者。但这一市场的当前发展阶段,更偏向于混战期靠后——即步入成熟期的前一个阶段:这一点可从市场参与者的竞争,与技术趋势上做探讨。

市场参与者愈发活跃

一个典型的ToF模组主要分成发射端和接收端两部分(图4,Galaxy Note 10+手机ToF模组剖面图)。

图4,来源:System Plus Consulting

发射端的核心是发光单元,以VCSEL(垂直腔面发射激光器)为主,供应商包括有Lumentum、ams、纵慧芯光(Vertilite)、菲尼萨(Finisar)等;发射端的核心组成部分,还包括了VCSEL光源前方的diffuser(扩散器)——这是一种光学器件,供应商包括有PRC、舜宇光学、Viavi Solution、菲尼萨等。

接收端的核心器件即常说的ToF图像传感器,主要供应商包括英飞凌/pmd、意法半导体、松下、ams、索尼等。通常我们认为,ToF图像传感器是整个ToF模组中相对最具有技术含量的部分(ToF模组的发射端在技术要求上是小于结构光技术的,而接收端则相反)。接收端的光学器件还包括了传感器前方的一枚窄带滤光片,供应商大致上就是Viavi Solutions和水晶光电;另外还有用于光线汇聚的镜组,供应商包括舜宇光学、欧菲光、瑞声科技、大立光、玉晶光等。

当然还有将ToF所有组件构成模组和解决方案的厂商,典型如索尼、意法半导体、英飞凌/pmd等。

从3D感知以及ToF市场参与者的动作来看,这个市场的竞争也正趋于激烈。以VCSEL组件为例,2019年菲尼萨被II-VI收购;Philips Photonics被TRUMPF收购;ams拿下了欧司朗(OSRAM)。其中TRUMPF和ams都开始向手机产品提供用于3D感知的VCSEL。加上ToF模组的发射端技术要求比结构光更低,中国国产VCSEL供应商相继入市。华为旗舰手机后置ToF摄像头的VCSEL激光器供应商名单中就出现了国内的纵慧芯光。预计在ToF模组的整个产业链上,国产厂商的参与度还将持续提高。

3D ToF技术核心所在的图像传感器,在市场竞争上也正在加剧。索尼虽是传统CIS图像传感器制造商,但原本在ToF市场并无涉足。索尼2015年收购SoftKinetic,并推出DepthSense ToF感知技术。于此,索尼很快在智能手机市场成为最大的ToF传感器与解决方案供应商:华为、三星近两年的旗舰机都在用索尼的DepthSense方案。

从Yole Developpement的数据来看,2019年索尼在3D感知接收端芯片上的市场份额已经一跃达到了45%。预期在ToF领域,索尼极有可能延续其强势地位。但这个市场仍有更多竞争者蓄势待发,分析师预计三星和意法半导体很快就会引入iToF传感器方案,与索尼展开竞争。

而英飞凌/pmd作为这一市场的主要竞争者,英飞凌电源与传感系统事业部大中华区射频及传感器部门总监麦正奇就表示,“智能手机是ToF传感器非常吸引人的一个应用”,英飞凌的技术“已涵盖诸多有助于改善消费者的手机生活的关键功能,如增强现实、渐变以及照片美化(如bokeh)”。虽然手机并非英飞凌ToF技术的唯一应用方向,却也是重要市场方向。

iToF与dToF之争

手机市场对3D ToF技术的需求量提升是不难理解的。如果单纯只说3D摄像头,那么手机应用前置3D摄像头从2017年开始爆发;而手机后置3D摄像头的爆发则始于2018年。到2019年年末,后置3D摄像头对于智能手机的市场渗透达到了将近10%,首次超过了前置3D摄像头的市场渗透率。

前置与后置3D摄像头的市场增长呈现出剪刀差的趋势,预计到2025年,70%的智能手机都会应用3D摄像头(包括前置与后置)。这也应当是ToF摄像头的主要市场增长点。这一市场预计在未来5年内都会蓬勃发展。

不过在ToF更具体的实施技术趋势上,2020年也可能成为一个重要转折点。因为今年苹果iPad Pro 2020面世了。这款平板设备的后摄采用dToF(Direct ToF)方案,这与当前华为、三星、LG这些OEM厂商普遍采用的iToF方案存在较大差异。索尼、英飞凌/pmd这些主要的ToF模组与ToF传感器供应商,实施方案主流也仍是iToF。

原本市场普遍认为,dToF的3D感知方案并不适用于消费电子产品,因为其成本更高,实施难度更大,尤其高像素实现在dToF方法上并不简单。但苹果却在平板产品上采用了这种方案,且从TechInsights的拆解来看,这枚dToF传感器来自索尼,单像素尺寸10μm,分辨率达到了3万像素——这个像素数量虽然和iToF方案的高像素产品还不能比(如索尼自己的iToF方案,IMX556分辨率为30万像素),2D精度也远低于结构光——但这在面向消费电子的dToF产品中已经是十分重要的迈进了。

一文看懂ToF市场现状

3D ToF市场的发展正呈现出飙高的趋势,不仅市场规模在未来5年内还将迅速扩张,而且供应链参与者近两年正持续着十分活跃的市场动作,还有企业正准备入市。与此同时,在技术方向上,ToF正面临一次重大决策。这些都是3D ToF市场迈向成熟之前的征兆。


图5,来源:System Plus Consulting

从System Plus Consulting公开的数据来看,iPad Pro 2020的这枚dToF传感器设计看起来很像更早的iToF设计,但它的确采用了SPAD阵列(单光子雪崩二极管)。有关SPAD技术,我们在《消费电子ToF技术与市场分析报告》中已经给出更具体的介绍,简单地说这是一种相比传统光电二极管能够实现量子倍增、单光生载流子即触发大量雪崩电流的器件。

从这枚芯片的剖面图(图5),就能看出带像素内连接(in-pixel connection)的结构:上方的CIS与下方的逻辑电路,采用DBI(Direct Bond Interconnect)技术做像素内互联——这种3D堆叠方案在以往的索尼传统CIS上并不少见。SPAD光电探测器一直以来是意法半导体的主场,前文提及单点光学测距用的都是dToF方法与SPAD传感器。意法半导体也正准备将SPAD应用于多点的3D感知。那么这个市场的竞争变数大约还有很多。

以苹果在消费电子领域的话语权,以及dToF本身虽然成本更高,但在效果上或产生更高收益这一特性来看,未来的智能终端设备在3D感知方面更多的采用dToF也极有可能成为趋势,而非现在这样在消费电子产品的3D感知上,iToF仍是主流。苹果的这一决策也很大程度为意法半导体开辟了未来市场。

值得一提的是,索尼的iToF产品去年面向华为、三星出货,订单产生了3亿美元的价值;而dToF产品又面向苹果出售,且极有可能今年的iPhone 12搭载像iPad Pro 2020那样的dToF模组,索尼的这项业务可产生的市场价值是不可限量的。

但英飞凌/pmd这类竞争对手在iToF模组上的持续发力,外加三星极有可能在今年加入iToF战局。消费电子市场上的3D ToF实施方案当前也正走在一个技术抉择的路口。更早如vivo NEX双屏版所用的p-iToF方法(pulse-based iToF,基于脉冲的iToF方法)在手机市场上就已经不多见了——这是ADI、松下的技术方案,如今ADI在ToF技术的注意力上已经不再偏手机产品。这种技术趋势选择,也是一项技术走向成熟的必由之路。

综上所述,在市场规模的扩张方面,在市场参与者的竞争方面,乃至在技术方向的趋势方面,3D ToF都处在一个高速发展、竞争激烈且异常关键的时刻。未来一段时间内,这一市场预计还会产生很大的变化,尤其是市场参与者选择的应用领域及技术方法赛道。ToF乃至3D感知市场进入白热化竞争已经箭在弦上。


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