ToF技术及产业链分析

科技飞速的发展，AR/VR、无人驾驶、智能扫地机器人等产品进入我们的生活。这些产品得以应用与深度传感器密切相关。深度传感器是通过对周围环境进行扫描生成电信号并传回处理器的一个电子元件。传感器的原理就像我们的感官系统一样，能够感知周围事物并将感知传递到大脑，让大脑进行判断并作出指令。目前深度传感器以技术区分可分为三种：结构光深度传感器、双目立体视觉传感器、TOF(time of flight）深度传感器。本文主要对TOF深度传感器进行介绍。

什么是TOF( time of flight )？有什么优势？

 

（图片来源：索尼官网）

 

ToF的基本原理是通过红外发射器发射经过处理的光脉冲射线，光与物体接触后进行反射，反射回来的光被接收器识别接受，并通过统计光脉冲从发射到反射被接收的时间计算出传感器与物体的实际距离。这种调制方式对发射器和接收器的要求较高，光速那么快，对于时间的测量有极高的精度要求。

 

在实际应用中主要是通过以下三种方式来判断光飞行的时间的。一是发射脉冲光并测量它们经反射后返回的时间间隔；二是调制光源的振幅并记录反射光波的相移；三是发射占空比为50%的方波，并记录在特定间隔内到达的返回光量。

 

与其他几种深度传感器技术相比，ToF技术主要有下面几点优势：

 

成本低，使用ToF传感器能够有效地降低设备成本，ToF传感器与结构光传感器或双目立体传感器相比更为便宜。

 

探测距离远，ToF传感器的工作原理是通过统计发射的激光往返时间来判断距离的，因为激光的损耗较小能够探测更远的距离。

 

快速，ToF传感器采用的是激光探测，光速相较于其他使用超声波的传感器更快，且受自然环境因素影响小。

TOF产业链

智能家居、智能出行已经开始进入我们的生活，这些产物的普及带动了TOF深度传感器快速发展。据IHS Markit报告，基于ToF方案的多方面优势，预计2022年ToF市场规模将达到15亿美元，占3D传感市场的50%左右。 

 

完整的ToF传感器产业链主要由发射测距激光的垂直共振腔面激光发射器（VCSEL）厂商、保持发出的光均匀的衍射光学器件（DOE）厂商、传感器核心的芯片厂商、模组厂商组成。

 

VCSEL的国外供应商主要有II-VIIncorporated、Finisar、AMS、Lumentum等，国内供应商主要有纵慧芯光、光迅科技、三安光电等，DOE供应商有鲲游光电、Viavi等，芯片供应商有三星、TI、松下、微软、高通、索尼、意法半导体、ADI、英特尔等，模组供应商有舜宇光学、欧菲光、海伯森、立讯精密、丘钛科技、威豪等。

 

Lumentum是全球VCSEL的龙头企业，是苹果、华为、OPPO等手机厂商的供应商，并且是为数不多的能够满足VCSEL大批量供货需求的厂商之一，并于今年3月发布了高功率五结和六结垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列产品。Lumentum自进入传感器市场以来，边发射激光器发货量达5000万颗，VCSEL发货量超8亿颗。据Lumentum财报显示2021年第四季度营收为1.921亿美元，同比增长7%，其中在3D传感器市场同比增长40%，创历史新高。

 

纵慧芯光国内第一家拥有VCSEL 自主知识产权的芯片公司。在2019年全球 ToF 传感器市场中占比32.6%排名全球第二。2018年为被Lumentum断供VCSEL的华为提供VCSEL实现国产化替代。据Yole Development预测，到 2026 年，用于汽车和移动设备的 VCSEL 将增长至 5700 万美元，复合年增长率为 122%。

 

DOE方面，鲲游光电是我国一家专注光学的高科技企业，对3D成像中的DOE器件颇有研究，现量产型完整8寸满副DOE晶圆良率可达97.5%以上。

 

在ToF芯片方面，由于ToF技术对灵敏度要求较高，目前ToF传感器芯片市场主要还是以国外大厂三星、索尼、AD等为主，索尼在摄像头领域一直都处于领先地位，并于2015年收购擅长TOF影像技术的Softkinetic公司，索尼的感光芯片多应用于国产手机的TOF方案中。ADI在ToF芯片方面也是十分具有优势的，ADI能为客户提供一系列解决方案，包括芯片、算法、激光驱动器、电源管理等，为客户提供一站式服务。在国内市场，炬佑智能也是可以量产ToF芯片的企业，于2019年该企业推出国内首颗ToF智能光控芯片，据公开信息表示炬佑智能将会在2021年推出业内最小尺寸像素（钻石像素）的分辨率达百万级的ToF芯片，以填补国内市场。

 

在TOF模组方面，舜宇光学、欧菲光、威豪等国内厂商都凭借各自的垂直领域优势占据着龙头地位。欧菲光早在2017年就开始对TOF传感器领域布局，并拥有多项专利，TOF模组已可实现大规模量产，现应用于小米扫地机器人中。据公开信息显示2020年，欧菲光3D ToF模组产品实现营业收入10.22亿元；综合毛利率16.12%。

总结

5G时代的到来，无人驾驶、工业机器人等智能设备改善了我们的生活，TOF在成本、感知距离和延迟方面都有不错的表现，并且供货稳定，成为了很多智能设备厂商首选的方案。