3D 感測主流方案看 TOF

都要用到 VCSEL! 3D 結構光中採用的是低功率 VCSEL, 用於在光線較暗的環境下補光, 從而在黑夜中也能提供完整的深度圖.  TOF 中採用的是高功率 VCSEL, 用於向物體發射光脈沖, 需要在白天和夜晚都能工作.

TOF 中的 Diffuser 的設計制作難度, 比 3D 結構光點陣投影儀中的 DOE 要簡單很多, 全球具備先進 DOE 設計與制造的公司屈指可數. Diffuser 的供貨廠商則較多, 包括 Finisar (II-VI 收購), PRC (Viavi 收購) 及 Himax 等.

VCSEL 發射的是特定波長 (850nm/940nm) 的近紅外光, 窄帶濾光片可將該波長以外的環境光 "剔除", 使僅有該波長的近紅外光進入圖像傳感器, 從而避免環境光的干擾. 僅有 Viavi 和中國水晶光電可供應.

結構光的近紅外鏡頭要求較低, 其作用是成像.  TOF 的近紅外鏡頭要求則比 3D 結構光高的多, 因為 TOF 發射的是高頻調制脈沖, 傳感器的感光時間非常短, 達到納秒級別, 因此要保證一定的信噪比.

3D 結構光測量距離範圍較短 (0.2m~1.2m), 高精度 (目前可達 1280*800) 的場景. TOF 測量距離範圍較長 (目前是 0.4m-5m), 較低精度 (目前是 240*180)  的場景, 如體感遊戲機, 避障, 導航等應用.

TOF 方案的測量精度是由測量距離和接收端傳感器的分辨率及視場角決定. 在測量距離和視場角一定的條件下, 傳感器解析度越高, 則測量精度越大.(vivo 所指的 30萬個點是接收端傳感器像素, iPhone X 的 3 萬個點是點陣投影器發出的散斑數量, 兩者完全不是同一概念)

結構光算法比 TOF 要複雜很多, 其運算數據量較為龐大, 需要附加額外的算法處理晶片到手機端, 因此通用性差, 即時性也差. TOF 的適應性更好, 設計更靈活, 尺寸更小. TOF 方案的測量範圍不受基線影響.

3D 結構光組裝的精度要求遠超過 TOF, 良率低. 3D 結構光模組均價達到 20 鎂以上, 而 TOF 模組的單價基本維持在 10 鎂左右. 在 AR 應用, 手勢識別等較長距離, 精度要求較低的應用場景, TOF 方案更為適合.

目前已經推出的 TOF 手機功能眾多, 在智慧手機之外, TOF 模組還有更廣闊的應用市場, 包括智慧駕駛, 機器人, 智能家居, 智慧電視, 智能安防和 VR/AR 等, 目前在這些領域, TOF 技術的應用尚處於起步階段.

IHS Markit 報告 2019 TOF 市場規模將年增 35%, 占比提高至 40% 左右. 基於 TOF 方案的多方面優勢, 尤其是成本優勢, 預計 2022 TOF 市場規模將達到 15 億美元, 占比整個 3D 感測市場的 50% 左右.

目前 TOF 主要的應用市場還是來自智慧手機市場, 預計 2020 占整個市場的 90% 以上, 其次是平板電腦市場, 建築物檢測, 智能家居, 汽車中控, 無人機等應用領域. 2021 年平板電腦市場將迎來翻倍增長.

3D 結構光和 TOF 模組基本組成相同, 根據 Yole 預測 2023 整個 3D 鏡頭模組的市場規模可達 155 億美元, 其中光源市場占 14%, 傳感器市場占 17%, 光學器件市場占 28%, 模組市場占 40%.

結構光陣營主要有蘋果, 英特爾, AMS, 高通/Himax, Mantis Vision, 華為, 奧比中光等. TOF 陣營主要有微軟, 索尼, 松下, 英淩/pmd, AMS, ST, TI, Melexis, ESPROS 以及中國聚芯微電子, 炬佑智能等.

Yole 預測全球 VCSEL 的市場規模在 2024 將達 37.75億美元, CAGR 高達 31%, 消費電子占比  90%. VCSEL 是化合物半導體雷射, 對應化合物半導體產業鏈, 包括晶圓, 外延片, IC 設計, 晶圓代工和封測等環節.