深圳数码文摘 电子技术 纯干货:手机的3D感知能力——消费电子ToF技术与市场分析

纯干货:手机的3D感知能力——消费电子ToF技术与市场分析

ToF(Time of Flight)技术是这两年在消费电子领域特别热门的话题,尤其是在iPhone X采用结构光这类3D感知技术以后,与结构光有异曲同工之妙的ToF技术也吸引了更多市场参与者与消费用户的兴趣。因此我们撰写了这份《消费电子ToF技术与市场分析报告》,对行业与技术进行梳理。

第一部分 3D感知市场现状

1.1 3D感知市场起源

通常我们认为,3D光学感知技术市场的爆发是以苹果iPhone X的出现为契机的。iPhone X在手机门类产品中,率先将结构光引入到前置光学系统中,用于Face ID人脸识别。虽然苹果并非市场上最先采用3D光学感知技术的企业,但这类技术在手机产品中的快速应用,是以苹果为代表的。

有关光学测距的分类,我们将在接下来的章节中探讨。报告的这一部分仅针对市场数据:需要明确的是,ToF仅是3D感知应用的某一类技术,iPhone X应用的结构光与ToF技术是不同的。但iPhone X也同时在距离传感器中应用了ToF技术:但当时主要的应用方向是测距,而非3D感知。

在筹备Face ID技术期间,苹果收购的相关企业至少包括了摄像头模块制造商LinX、AR初创企业Vrvana、图像传感器供应商InVisage Tech、AR眼镜制造商Akonia Holographics等[1],前后历时数年,可见3D感知技术是有相当门槛的。

实际上在消费市场上,3D感知技术被广泛应用可以追溯到2010年微软发布Kinect系统,与Xbox 360游戏机一同发布的体感配件。初代Kinect系统采用的是以色列企业PrimeSense的结构光方案(苹果于2013年收购PrimeSense)。不过微软的第二代Kinect产品开始采用ToF技术,即本文的主角。在Kinect产品问世之后,市场上曾一度出现过不少应用于PC端的3D感知交互硬件,可采用手势操作的方式来控制系统。

另一方面,如果单论ToF光学测距,则在2014年前后就相继有包括LG G3、黑莓Passport等在内的手机开始采用ToF技术方案作为其距离传感器、摄像头激光对焦之用。iPhone 7也是最早一批应用了ToF模块的产品。ToF模组与传感器技术以英飞凌/pmd以及意法半导体为代表。这种ToF光学测距技术在手机上的应用几乎已经成为当代智能手机的标配,因此ToF技术对于手机产品的渗透并不是这两年才开始的。

以iPhone X为标志,手机行业对3D感知技术的采用尤以中国手机制造商最为激进。包括OPPO很早就开始采用结构光、vivo则从2018年开始研究ToF技术在手机上的应用。华为、小米等手机OEM厂商也相继在手机产品中加入3D感知、面部识别等。

针对3D光学感知,以及ToF技术应用市场现状,我们主要采用统计机构IHS Market以及Yole Développement的数据。

1.2 ToF市场变化概览

Yole Développement的数据显示,全球3D成像与感知市场2019-2025年预计市场规模从50亿美元上涨至150亿美元,复合年增长率20%[2]。3D感知也正逐渐从手机前置往后置扩展,由于结构光的测量距离限制,后置的3D感知方案是以ToF技术为主的。Yole的3D成像与感知报告显示,前置ToF方案很快就会被后置的数量超过;且后置ToF技术的市场渗透率会在2025年达到42%;总体3D感知摄像头在智能手机中的采用率会在2025年达到约70%(图1.2.1)。


图1.2.1,2015-2025年智能手机中3D摄像头的采用率占比变化,来源:Yole Developpement

尤为值得一提的是,从Yole Developpement 2018年的预测数据来看,若将3D成像与感知市场的整体营收做切分,2017年这部分市场的主力都仍是工业/商用,占到当时整个市场的38.1%;而预计到2023年,除了整体市场规模的上扬以外,消费市场将成为这一市场的绝对主力:消费市场将占到整个3D成像与感知市场的74.6%(图1.2.2)。这也是本文探讨ToF在消费电子领域应用的依据,因为它最能代表ToF市场未来的发展。

这份预测的发布时间比较早,其中的市场规模基数数据可能预测得过于激进,但我们认为不同市场领域的收益构成仍将按照这个趋势发展。

图1.2.2,3D成像与感知根据不同市场的价值划分,来源:Yole Developpement

从大方向来看ToF模组的成分,它主要可以分成发射端与接收端。这两个组成部分的技术要求都很高(尤其对于dToF方法)。整个模组各组成部分的供应商可能都有不同,以LG G8 ThinQ手机为例,这是一款2019年4月上市的手机,其ToF模组的发射端VCSEL激光器供应商是ams,接收端的ToF传感器供应商为英飞凌(英飞凌应该也提供了整体解决方案),模组由LG Innotek提供。

有关ToF技术原理与整个模组的构成,参见本报告的2.1、2.3与3.1章节。

2019年,ToF行业的不同参与者发生了一波变化。例如ToF模组的VCSEL激光器光源市场已经开始了竞争角逐,Finisar(菲尼萨)被II-VI收购;Philips Photonics则被Trumpf收购;ams(艾迈斯半导体)拿下了OSRAM(欧司朗)。Trumpf和ams都开始面向手机产品提供3D感知方面的VCSEL激光器,包括三星、华为在内的不少手机都已经在大规模采用。

与此同时ToF摄像头模组的发射端技术比结构光要简单,这也让中国国内的更多VCSEL供应商入市,典型如纵慧芯光(Vertilite)。华为P30 Pro与华为Mate 20后置ToF摄像头的VCSEL激光器供应商名单中就出现了纵慧芯光半导体[3](另一家供应商是Lumentum)。

图1.2.3,三星Galaxy Note 10+的3D ToF解决方案来自索尼,整个模块包括了发射端与接收端;来源:System Plus Consulting[2]

而在ToF模组接收端传感器部分,英飞凌/pmd、意法半导体、索尼等厂商的竞争也日益激烈。手机上最早应用3D感知方案的LG G8 ThinQ手机搭载的即是英飞凌的方案;索尼作为传统CIS图像传感器制造商,于2015年收购SoftKinetic,成为如今索尼DepthSense ToF感知技术的来源,让索尼从不涉足ToF技术市场到一跃成为ToF传感器与解决方案重要供应商:华为P30 Pro、三星Galaxy Note 10+即采用索尼的DepthSense方案[4]。

总体上,ToF技术的竞争日益激烈,而且我们只探讨了移动与消费电子领域,还不曾涉及汽车、工业等组成部分。

图1.2.4,ToF及其他光感应器的市场规模增长预期,来源:IHS Markit

图1.2.5,预计不同应用,ToF技术会拿下的营收,手机显然是其中的主力,来源:IHS Markit

IHS Markit预测2019年仅3D光学感应市场,ToF接收端(红外摄像头)的传感器市场规模超过了5亿美元——2018年的这一值为3.7亿美元。这个数字是什么量级呢?这家机构预测2022年整个光感应器市场价值将达到15亿美元,而3D感应在其中的占比会越来越高。在这部分市场中,不仅是消费电子市场的提升,还包括了工业应用如人群数量追踪、机器人的避障、飞行器着陆,当然还有汽车内智能驾驶舱应用等。

随着BOM成本的下降,包括系统装配与校准的集成成本在降低,加上iPad Pro 2020对ToF技术的应用必将再次推动这一技术的普及,ToF在市场份额上必然是高于结构光这类更复杂的方案的。

1.3 ToF市场构成

有关ToF技术、模组构成及产业链的相关内容,还将在章节3.1中做更详细的剖析,不过在此我们认为仍然有必要从大分类上,对ToF上下游市场价值构成做一个大致的切分。

移动与消费3D感知系统尤其是ToF技术,主体上包括了接收端(传感器为主,典型市场参与者如英飞凌)、发射端(主动发射红外光,以VCSEL激光器为主,典型市场参与者如ams);除此之外,整个ToF摄像头还包括了光学器件(如用于光源漫射的diffuser,典型市场参与者如舜宇光学)、整体模组(典型市场参与者如意法半导体)和系统设计方案等(本文不考虑更后端的ToF深度数据处理硬件与算法)。

从Yole Developpement前年的预测数据来看(如上所述,整体数据基数或过于激进),传感器可获取的收益预计占到整个3D感知生态系统的14.6%,而发射照明部分占到12.1%,整个光路中涉及的其他光学器件占23.8%,而3D模组整体占价值的33.5%。图1.3.1列举了不同环节的市场参与者,请注意这份数据并不仅代表ToF技术,而包含了所有3D感知技术。

图1.3.1,移动与消费3D感知生态系统参与者,来源:Yole Developpement

附:VCSEL的市场情况

实际上,由于ToF摄像头的很多组成部分并非ToF技术独享,或者在技术上与传统2D成像摄像头或者其他3D感光技术相似。ToF摄像头每个组成部分很难有剥离的市场情况可呈现(例如图像传感器,由于传统2D摄像头的CMOS图像传感器仍是市场价值大头,它无法表现ToF图像传感器的发展;我们也没有ToF图像传感器市场的单独数据)。但VCSEL激光器本身就有着较大的市场容量,因此它由研究机构Yole Developpement单独做了分析,这里给出简单的呈现。需要注意的是,VCSEL并不仅针对ToF技术(且不仅针对消费市场),ToF测距(距离传感器、摄像头的激光辅助对焦)、结构光、ToF 3D感知、车载LiDAR激光雷达等都可能需要用到VCSEL,所以以下数据并不能代表3D感知ToF模组的发展情况,但它对ToF技术市场的发展依然有参考价值。

Yole Developpement预测,2024年全球VCSEL市场规模将超过37亿美元,2018-2024的复合年增长率为31%。其中消费市场将占到大头,2024年的市场规模预计为34亿美元(图1.3.2)。这也符合前文提到ToF的消费市场将成为主力的预判。与此同时,2017年每台智能手机的VCSEL成本平均在4-5美元,而2018年就掉到了2-3美元,充分说明了VCSEL的成本在下降,发展在加速——包括良品率提升及出货量更大致价格摊薄,以及更多的参与者进入到市场中竞争(图1.3.3)。

图1.3.2,2018-2024 VCSEL市场规模预测,来源:Yole Developpement[5]

图1.3.3,手机中VCSEL成本变化趋势,来源:Yole Developpement

iPhone X的前置成像与感知模组包含了3枚VCSEL(其中两枚应用于结构光,包括泛光照明器与点阵投射器),这也带动了VCSEL行情的进一步发展,结构光、ToF摄像头这类主动方案都需要VCSEL。手机市场上的主流品牌,包括小米、OPPO、华为、三星的3D感知技术都在应用VCSEL。另外在汽车与运输、工业市场,VCSEL中长期也将有快速发展。中短测量距离的LiDAR激光雷达市场上,VCSEL预计将与EEL(边缘发射)竞争。

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作者: admin

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