华为、小米等国产手机布局，TOF 和结构光谁能催生百亿独角兽？
最后更新：2020-04-29 10:45:32 手机定位技术交流文章
2020年，新的冠状病毒将使全球神经紧张，原本疲软的经济形式将几乎进入无法挽回的局面。
尽管如此，中国半导体行业逆势而上，在经济低迷时期成为罕见的增长焦点。半导体产品、半导体芯片及相关设计、相关元件、照明、封装、材料、设备、分立元件、功率半导体等行业相继获得巨额融资。
以长江小米基金为例，从2020年1月21日开始，当电机驱动控制芯片开发商富通和射频芯片开发商百特微电子完成融资时，半导体电路包括快线半导体、Onri微电子、奥捷科技、智能微电子和汉芯微电子先后完成对长江小米基金的投资。投资领域涵盖芯片制造、芯片供应、无晶圆半导体研发、微控制器产品和应用程序提供等领域。投资领域的主题是半导体背景下的本地化替代。整个轨道几乎不受经济衰退和一级市场投融资困难的影响。
随着半导体的快速发展，许多先进技术已经逐渐进入传统产业链，其中智能手机产业链是最好的。中国庞大的人口基数决定了对智能手机的巨大需求，而日新月异的技术带来的智能手机周围软件算法和硬件组件的频繁更新，给整个半导体产业链带来了巨大的市场想象力和技术商业化的可能性。
为了进入市场，企业希望影响智能手机未来发展的各种技术路径，看到大规模计算、软件虚拟化、光学元件等高科技对智能手机升级的影响。尤其是目前，每个家庭都在用超高清摄像技术打造产品生态。一些顶尖玩家将未来的技术如增强现实和虚拟现实嵌入到硬件解决方案中，并通过未来的布局和对组件的理解来构建智能手机生态，从而在智能手机从大增值到小增值再到大库存的进化过程中获得加分。
此时，从3D传感到高端甚至是中端手机型号的过渡已经开始，与飞行时间和结构光(其前沿技术)相关的行业也早在3年前就进入了资本视野。市场的发展经历了两个里程碑式的事件:
2018年8月，OPPO发布了首款配有飞行时间相机的智能手机OPPO R17专业版，这是中国首个在手机上携带飞行时间模块的真实案例。
2020年3月，苹果最新款的iPad Pro推出了一款采用数码地面摄影技术的深度相机。3D视觉在消费场景中的应用已经进入了一个新的阶段。苹果公司对数字地面电视布局增强现实生态的雄心已经变得清晰。这一领域的分离主义政权早已形成。vivo、华为、三星、LG和苹果都有自己的技术优势和市场面。飞行时间布局也将从技术人员的战术探索进入战略关键阶段。
因此，卓凡资本通过飞行时间衍射、结构光和3D传感领域的其他赛道做出了以下基本判断:
TOF+结构光是智能手机3D感知的两种主流解决方案。飞行时间有望成功突破。智能手机仍将是飞行时间和三维结构光的主要着陆场景。3D结构光覆盖短距离高精度场景，尤其是正面3D结构光。在许多方案中，项目交付能力长期处于领先地位，因此短期内不存在被其他方案取代的可能性。飞行时间包括远距离和低精度场景，如增强现实应用和手势识别。随着苹果公司的iPad Pro推迟进入数字电视领域，相关的安卓供应商将加快布局的渗透。据Elec报道，华为和三星将在进入产业链前后渗透飞行时间模块，预计总数不低于1亿。
由于飞行时间的快速布局，增强现实生态将提前到达。谈论增强现实着陆场景不再是一个完整的空展馆。由于苹果的iPad Pro和Dt of的隆重推出带来的蝴蝶效应，TOF的成本将迅速下降，其高质量的实时传感能力将成为除智能手机以外的其他市场的主流三维传感方案，如ADAS、机器人、智能家居等。而要求极高的三维传感能力的虚拟现实/增强现实由于飞行时间的大规模应用，将进入通用阶段。
现代大型数据中心的两级脊状结构将带来25G VCSEL光模块的爆炸，但光通信要求极高的技术，信号调制的稳定性是关键。该模块的使用将带来对短距离光纤连接的大量爆炸性需求。10G光模块采用的VCSEL方案的红海模式，由于将数据机房光模块升级为25G方案，将导致增量释放，释放水平将达到10亿。释放这个量级并不意味着这些量级可以在国内消化，突破了测试优化的超长周期，解决了信号调制稳定性的过程问题，给启动团队带来了巨大的挑战。该团队没有超过10年的工艺经验，也没有大规模的工厂经验(如Lumentum、II-VI等)。)，因此实现稳定的大规模生产几乎是不可能的。
VCSEL25G光模块的爆炸受到外延片市场的极大影响。如何打破IQE的垄断，让下游供应低价商品至关重要。三安光电是中国唯一一条有能力建设6英寸VCSEL外延片生产线的长江。此外，唐静量子、全磊光电和新亮智能都有一定的能力，但与实际需求相差甚远。
与半导体行业的其他行业相比，本地化有更大的机会取代该行业的主体。飞行时间产业链由方案、算法、发射端泛光灯和接收端近红外摄像机组成。在四个工业部分中，计划部分完全由大型外国工厂主导，包括pmd、AMS、ST、TI、Melexis、Sony、Panasonic等。然而，在泛光灯领域(VCSEL)，国内制造商已经在10G及以下版本中实现了完全的市场竞争，25G也实现了小规模的大规模生产，一些制造商有可能实现本地化替代。在材料和外延晶圆方面，在上游的砷化镓和集成电路晶圆代工厂，虽然大部分仍然完全被国外大型制造商占据，但一些国内制造商已经进入了市场视野。在近红外相机方面，如CMOS传感器，除了索尼三星，国内厂商在一些产品型号上有一定优势。
卓凡认为，上市公司:在整个产业链中，三安光电在各方面都处于领先地位，其余是晶光电子和联创电子，因为它们已经成功进入世界第三代半导体产业链，拥有一批核心技术壁垒极高的器件。
对于光学透镜，推荐使用虞舜光学、窄带滤波器链路、晶体光电子学和光学模块，欧菲莉亚是第一个。
在初创公司方面，在VCSEL+激光芯片领域，博盛光电、瑞信科技、柠檬光子、中芯半导体、德根激光、艾瑞光电、武汉光电、中国工程技术和唐静量子都有自己的技术优势。在VCSEL电路方面，惠宗芯光电子在新兴公司中在光消费领域处于领先地位，而昌瑞光电子在通信领域处于领先地位，武汉敏感芯、瑞西光电子和太平洋光电子也各有特色。对于飞行时间整体解决方案，建议使用艾欣智能。
追根溯源:3D传感如何选择飞行时间和结构光？
1.基于车辆安全检测的飞行时间-三维感知前沿应用
自2006年TOF从CSEM的MESA成像公司孵化出来，并推出商用TOF产品SwissRanger以来，相关的技术解决方案(软件+硬件)已经应用于汽车的被动安全检测。随后，梅萨进入了七天公司的怀抱，七天公司进入了医疗辅助系统的战略布局，将飞行时间提升到医疗辅助系统的应用水平。
2013年，Kinect V2.0也开始使用飞行时间技术，使用3DV系统的飞行时间技术。这款深度传感飞行时间传感系统发布了世界上最小的飞行时间模块，吸引了市场的关注。
飞行时间在2016年进入智能手机。Phab2专业版的出现为飞行时间进入智能手机开辟了道路。pmd+英飞凌被采用，一些增强现实应用可以在手机上使用。然而，由于其稳定性和基础较差，该应用并未在市场上引起很大反响。
2017年，华硕发布了Zenfone，其REAL3飞行时间成为该行业的领导者。pmd的TOF像素矩阵+英飞凌的SoC基本上是这个行业的王牌。2018年，OPPO在发布与飞行时间相关的OPPO R17专业版时采用了索尼的计划，而vivo则发布了荣耀V20并采用了相同的飞行时间计划。此后，三星、LG、联想和华为都在主要机型中部署了飞行时间，飞行时间已经成为基本标准。
苹果手机上的数字电视
2020年，苹果最新款的iPad Pro和两款iPhone都配备了数码相机，而前面的人脸识别相机仍然采用三维结构光技术，借助定制的CMOS人脸模拟功能，实现现实生活中的AR导航应用。苹果的强势进入将导致蝴蝶效应。DTOF相关的定位模块将在2020年面临一定规模的发布。由于这一影响，华为和三星也将在2020年后进军高端电脑的飞行时间模块，预计这一数字将从5700万台直接增至1.83亿台。
从渗透率来看，预计苹果、华为和三星在2020年的后飞行时间渗透率分别为21%、20%和5%，出货量分别为4500万部、9700万部和3500万部。包括小米、OPPO和vivo在内的其余制造商分享了剩余库存，但对总库存影响不大。
2.结构光——智能手机拯救结构光的前景；模块构建面向虚拟现实/现实生态
消费领域最早的3D结构光商业模式可以追溯到2009年。Kinect V1.0是一款体感设备，配备了以色列PrimeSense的3D结构光模块，自推出以来在市场上引起了强烈反响。尽管精确度、图像分辨率和响应速度还没有达到真正的商业水平，但3D传感可以通过结构光进入每个人的视野并没有受到阻碍。
PrimeSense的研发能力显然跟不上大型3D传感工厂的布局速度。2009年，3DV系统和Canesta相继进入微软的战略视野，并最终完成了收购。2013年，他们取消了与第一代制造商PrimeSense的产品合作，自行开发了Kinect V2.0。然而，他们仍然不能从根本上解决精确度和图像分辨率的问题。因此，技术衍生产品的应用无法很好地解决现场出现的问题，尤其是与微软游戏开发团队和硬件团队的技术脱节，导致Kinect在2017年完全离线。三维传感结构光软硬件耦合方案不利于启动。
Windows v2的Kinect
然而，智能手机的出现可以说是所有问题的解决方案，尤其是大型智能手机制造商之间日益激烈的竞争。因此，每个大型制造商都希望在其下一代产品中加入所有可行的尖端技术和前言应用。三维传感是增强现实/虚拟现实的唯一途径。如何预先在智能手机上布置和嵌入硬件模块，已经成为大型制造商相互竞争的关键。然而，由于半导体技术的技术限制，3D感测难以用于小尺寸和低功率的移动电话。大型工厂的整体解决方案要求人们首先吃螃蟹。
苹果是第一个吃螃蟹的。2017年，苹果世界宣布了一款新的苹果手机。苹果公司首次将3D结构光模块嵌入终端，并将3D人脸识别技术作为iPhone的下一个主要战略点。这一里程碑式的事件使得其他智能手机制造商也不得不进入布局阶段，以免被iPhone远远甩在后面。
凡事都有原因。3D结构光模块的核心技术解决方案来自Primesense of Kinect 1.0。2013年，苹果公司以3.6亿美元收购了该目标。后来的iPhone XR和iPhone XS都配备了更新的结构光模块。在国内部分，华为和欧比中光先后提出了自己的解决方案。迄今为止，小米、华为和OPPO都发布了各自版本的3D结构光模块智能手机。
手机3D结构光
其中，华为宣布其所有产品均由Mate20专业制造。OPPO利用奥比万中广的方案FindX，将奥比万中广推至市值100亿元人民币的独角兽位置。小米采用了螳螂视觉的解决方案。然而，根据DigiTimes的数据，苹果X、苹果XR、苹果XS和苹果11的结构光模块出货量已经达到总出货量的88%，仍然绝对领先于行业。
三维结构光与飞行时间的比较
飞行时间如何脱颖而出？
飞行时间在现有部署中的优势如下:
1.结构光未能解决长距离精度损失的问题是由技术方案的底层逻辑的限制引起的。通过添加高性能的CMOS传感器来促进飞行时间优化，这具有技术途径但成本高。
结构光的最大问题是VCSEL和DOE之间的设备误差。例如，该误差将导致散斑投影误差，并且DOE和透镜之间的装配误差将导致距离测试误差。通常，从近到远的清晰解调必须通过多个透镜和多个DOE来解决。结构光原则上是对拍摄的照片进行散斑信息解调，因此散斑信息的准确性需要高精度的点云来解决。
透镜畸变率、透镜内部光的发射折射、垂直腔面发射激光器光斑均匀性以及光和透镜的切换频率决定了飞行时间的精度。高性能的CMOS或CCD提高了QE，即光量子效率，可以降低VCSEL的功率和整个系统的功耗。其中，光的开关频率越高，精度越高。据卓凡资本介绍，目前爱新智可以控制每秒3500次的开关频率，其精度应该是所有飞行时间方案中最高的。
2.结构光对光照很敏感。因为所使用的传感器的QE在850纳米或940纳米非常低，所以它容易被相同波长的光干扰，并且图像清晰度有限。
飞行时间通过计算发射和恢复时间来打开传感器的快门，因此信噪比相对较好。同时，飞行时间采用砷化镓技术对芯片进行改进(该技术在2020年左右逐渐成熟)，使芯片在850纳米或940纳米波长下具有较高的QE(一般超过18%)，因此环境光的影响比结构光小，但在强光下不好，信噪比不高，无法解调。
同时，窄带脉冲一般用于短距离，宽脉冲用于长距离。脉冲宽度不是高精度的原因。数字电视采用时分复用技术，大大提高了对外界环境光线的抗干扰能力。
3.结构光算法需要增加额外的处理芯片，计算过程长，实时性无法保证。飞行时间通过几个箱直接在接入点调用，对手机硬件没有太高的要求。
理论上，前端只是数模转换。具有计算能力的芯片是放置在传感器中用于片上系统还是外部，基本上取决于芯片制造商在早期打开芯片时期望使用芯片的领域。
对于飞行时间，由于视场角、测试距离、帧速率要求、精度要求等，处理器芯片的选择是完全不同的。
4.结构光的装配精度要求远远高于飞行时间，成品率相对低于结构光。
5.结构光模块的部署成本大约是飞行时间的两倍。其核心问题是配件制造困难，精度要求高，缺乏产业链。当然，镜头和高速开关控制电路并不便宜，技术含量高。然而，在大规模工业化过程中，飞行时间成本将低成本摊销，总体价格优势仍然存在。
将苹果的结构光模块与苹果新发布的DTOF模块进行比较，结构光模块在发射端有一个额外的点阵投影仪，而飞行时间模块使用一个近红外摄像头(飞行时间传感器)。
从技术路径分析来看:
从结构光的角度来看，从点投影的角度来看，核心器件的关键部件是垂直腔面发射激光器(VCSEL)、发光二极管(WLOlens)和二极管阵列(DOE)。由三个装置形成的发射特定代码可以发射以形成特定的光学图案，这在技术上是极其困难的。
飞行时间不需要受到点阵投影仪的限制。核心器件是VCSEL的性能和功耗，尤其是在温度漂移方面。一些国内制造商已经提出了有效的解决方案并将其应用到产品中。
其次，飞行时间泛光灯由垂直腔面发射激光器和扩散器组成。与结构光相比，飞行时间对垂直腔面发射激光器的功率要求更高。它的原理是向物体发射光脉冲，并在白天和晚上连续工作。这种技术与飞行时间法的区别在于，结构光使用低功率垂直腔面发射激光器，而低功率垂直腔面发射激光器用于在光线相对较暗的暗夜中捕捉图像的光点，从而在暗夜中容易形成完整的图像。
在技术集成方面，在iPhoneX现有的技术方案中，泛光灯照明器和飞行时间距离传感器封装在一起，由STM提供，这是其主要特点。
性能导致的应用场景分析；
一般来说，区分飞行时间和结构光的最简单方法是通过测量距离。
结构光通常被认为具有短的测量距离(0.2m-1.2m)和高的精度(1280*800)，以工业场景中的AOI为代表，并且可以用于工业外观检测中的机器替代，例如精密仪器检测。飞行时间很容易超过2米的距离，其精度集中在240*180的范围内，如体感游戏、导航等。
然而，结构光的核心问题是其距离有限，难以在技术上得到明确的优化(散斑编码图案的定义会随着距离的增加而模糊)，深度图的呈现不完整，导致体验不佳，因此在手机后置方案中几乎不可能考虑结构光方案。然而，TOF方案的面光源在一定程度上不会被长距离轻易拖垮，大规模衰减几乎是不可能的。
当然，为了解决长距离精度的问题，飞行时间方案需要通过提高CMOS传感器的性能来实现。然而，CMOS传感器性能的成本增加相对明显。在一定的测量距离和视场角下，分辨率与测量精度成正比。
目前，人脸识别应用需要不低于300，000像素(VGA)，因此华为三星公司也使用面向前摄像头的飞行时间来解决面向前摄像头可能覆盖的增强现实场景。尽管成本增加了，但它比结构光好得多，因为底层技术逻辑有限，而且没有提升维度的途径。
其次，在方案适应性方面，TOF方案可以通过改变光源的强度来实现不同范围内的3D成像，同时调整发射器脉冲频率和相应的信噪比来适应应用环境，这也反映了TOF对照明条件的不敏感性，这是结构光所不具备的。
在方案算法方面，结构光运算数据量与飞行时间相比几乎是巨大的，并且需要在手机端应用额外的算法处理芯片，因此通用性、实时性与飞行时间无法相比。
VCSEL芯片
从大到小:垂直腔面发射激光器如何影响发射极布局
根据目前的市场反馈，单独谈论VCSEL并不重要。从通信的角度来看，根据高德纳的报告，全球VCSEL通信供应市场在国内市场约为2亿美元，在消费市场约为8亿美元，在整个市场约为10亿美元空房间。利用这个市场空空间来支持一级市场回路是不现实的。
然而，VCSEL的调制、光束质量、效率和集成优势也决定了它在短距离场景、消费电子传感和短距离光通信方面的巨大优势。VCSEL基本上是市场上首选的光源，特别是对于短距离消费电子3D传感器，可以很好地满足。
从短期特征推断，根据卓凡资本的理解，随着数据机房的扩大和云计算的逐步发展，“东西向流”结构将成为数据中心内部和之间的主要流结构的组成部分。然而，“东西向流”结构将促使大型数据中心采用两级脊状结构，这在提高数据交换效率方面尤其有效。在脊状结构中使用大量短距离光纤链路几乎是技术上的必要条件。因此，对光学芯片VCSEL的需求将急剧上升，打破原有工业规模的上限。
从大型数据中心的规模来看，2018年中国创建、收集和复制的数据总量高达7.6兆字节，占全球数据圈的23.4%。然而，随着5G通信和相关云计算技术的大规模兴起，这一数据将在2025年增加到48.6兆字节，占全球数据的27.8%。
中国大型数据中心的相应数量仅为世界的8%(35)。大多数数据中心被三大电信运营商垄断空。像英美烟草这样的互联网巨头将在未来5年内建立自己的大型数据中心，以应对海量数据。
然而，匹配海量数据的大型数据中心将采用光通信技术来准确、高效地传输和管理数据。从光学芯片的选择来看，10G光模块技术和行业都比较成熟，但是由于性能有限和场景有限，目前的情况比较红海。
然而，随着数据流量的增加和大型数据中心的建设，25G模块的使用将会显著提高。然而，使用25G模块，技术含量和利润为0+，将为现有的数据中心带来技术迭代。其增长水平将不低于10亿，而具备25G光模块部署条件的数据中心将逐步增加25G模块的渗透率。
从消费电子产品的角度来看，消费电子传感使用的是VCSEL。它的主要障碍来自外延晶片生长过程。其应用领域对垂直腔面发射激光器的功率要求较高，功率取决于反射镜的层数。外延生长是制造反射器的正式沉积过程。它的外延生长过程决定了堆叠层数，而堆叠层数决定了最终产品的性能。随着MOCVD在该领域外延设备的定制，生产工艺调试团队将脱颖而出。
根据卓凡资本，大规模阵列的外延晶片工艺已经从4英寸升级到6英寸。目前，世界上只有IQE和住友化学有这种工艺的生产要求。
然而，从2020年开始，所有高端安卓手机中超过90%的VCSEL传感器将使用这一技术，因此IQE现在是这一领域的唯一承包商，但其产能仍赶不上快速发展。渠道的限制也使得国内制造商很难以稳定和低廉的价格获得IQE的供应。迫切需要用国产产品代替它。在此背景下，企业包括唐静广达、权磊光电、新亮智能等。脱颖而出，希望在未来几年打破IQE和住友化学的垄断。
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