圖像傳感器將光波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以形成圖像。它是智能手機(jī)的一項(xiàng)必不可少的技術(shù)，其中相機(jī)被認(rèn)為是至關(guān)重要的，并且有望在諸如自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人之類的未來技術(shù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。圖像傳感器被視為半導(dǎo)體行業(yè)的核心類別，因?yàn)樗c其他相關(guān)行業(yè)緊密相連，因此可以產(chǎn)生更大的價(jià)值。

當(dāng)前，智能手機(jī)占圖像傳感器總需求的70％，這是最大的需求。然而，據(jù)預(yù)測(cè)，在諸如自動(dòng)駕駛汽車之類的未來行業(yè)中，對(duì)圖像傳感器的需求將大大增加。

隨著圖像傳感器重要性的增長(zhǎng)，全球高科技公司越來越關(guān)注。行業(yè)參與者預(yù)測(cè)，圖像傳感器市場(chǎng)中當(dāng)前領(lǐng)導(dǎo)者的市場(chǎng)主導(dǎo)地位將來可能會(huì)大大下降。結(jié)果，諸如索尼之類的當(dāng)前領(lǐng)導(dǎo)者正在積極投資于下一代圖像傳感器的研發(fā)。

3D圖像傳感器：引領(lǐng)圖像傳感器市場(chǎng)的形態(tài)因素

最近，作為有望引領(lǐng)圖像傳感器市場(chǎng)的新型外形，3D圖像傳感器已引起了很多關(guān)注。現(xiàn)有的圖像傳感器只能實(shí)現(xiàn)2D圖像，而3D圖像傳感器則可以通過測(cè)量到對(duì)象的距離（深度）并將其可視化為3D圖像，從而更精確地識(shí)別對(duì)象和動(dòng)作。

根據(jù)去年的Yole Developpement報(bào)告，預(yù)計(jì)3D圖像傳感器市場(chǎng)的年均增長(zhǎng)率將達(dá)到20％，從2019年的50億美元增長(zhǎng)到2025年的150億美元。在同一時(shí)期，智能手機(jī)細(xì)分市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以到2025年，該市場(chǎng)將達(dá)到26.2％的市場(chǎng)份額，并占據(jù)3D圖像傳感器市場(chǎng)一半以上的份額。汽車領(lǐng)域排名第二，在這一時(shí)期，預(yù)計(jì)它將創(chuàng)下27％的最高年增長(zhǎng)率。

自2010年代初以來，3D圖像傳感器已在智能手機(jī)中使用，其功能包括AutoFocus 和Proximity Sensing 。此外，在蘋果大力推廣了Face ID功能（3D面部識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)于2017年首次在iPhone X上首次推出）之后，它作為一種有望引領(lǐng)智能手機(jī)創(chuàng)新的新形式而受到了廣泛關(guān)注。

現(xiàn)在，更多主要的智能手機(jī)制造商，例如三星，LG，華為，OPPO和Vivo，都參加了一場(chǎng)技術(shù)競(jìng)賽，以提出最好的3D圖像傳感器。

3D圖像傳感器如何工作？

3D圖像傳感器捕獲圖像的方式主要分為三種技術(shù)：立體視覺、結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間（ToF）。ToF進(jìn)一步分為兩種技術(shù)，包括測(cè)量相位差的 Indirect ToF（I-ToF）和測(cè)量時(shí)間差的Direct ToF（D-ToF）。

I-ToF是一種方法，該方法通過使用以特定頻率調(diào)制的激光來測(cè)量物體的距離，并使用反射和反射的信號(hào)來測(cè)量相位差。盡管使用現(xiàn)有的光電二極管（PD）組件比較容易實(shí)現(xiàn)，但是由于光電探測(cè)器的效率低，很難測(cè)量到相距幾米以上物體的距離。

D-ToF方法通過發(fā)出短脈沖光然后測(cè)量發(fā)射的光返回所需的時(shí)間來檢測(cè)與物體的距離。它可以測(cè)量十米或一百米外的物體，但是將需要單光子雪崩二極管（SPAD）。

D-ToF：下一代3D圖像傳感器的關(guān)鍵

蘋果早期iPhone X型號(hào)的前置攝像頭中，結(jié)構(gòu)化光用于3D圖像傳感器，但此后，開發(fā)了使用I-ToF的微圖像傳感器，如今在智能手機(jī)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。值得注意的是，圖像傳感器市場(chǎng)的主要參與者索尼在2015年收購(gòu)Softkinetic Systems SA來增強(qiáng)其圖像傳感器相關(guān)產(chǎn)品之后，憑借I-ToF圖像傳感器獲得了較高的市場(chǎng)份額。

也就是說，D-ToF圖像傳感器的重要性將進(jìn)一步提高。盡管預(yù)計(jì)智能手機(jī)中的3D圖像傳感器的數(shù)量將顯著增加，但它們將大部分安裝在手機(jī)的背面，因?yàn)檫@將使應(yīng)用程序比正面更靈活。由于安裝在背面的3D圖像傳感器應(yīng)該能夠測(cè)量5到10米以上的距離，因此有競(jìng)爭(zhēng)力的研究基于SPAD的D-ToF技術(shù)非常重要。

實(shí)際上，根據(jù)Markets and Markets關(guān)于2020年ToF圖像傳感器市場(chǎng)的研究，估計(jì)到2025年I-ToF傳感器的年均增長(zhǎng)率將達(dá)到11％，而D-ToF傳感器的年均增長(zhǎng)率將達(dá)到37.3％，是I-ToF傳感器的三倍以上。

去年，蘋果公司是第一家在背面添加D-ToF傳感器的智能手機(jī)提供商，該傳感器配備在iPad Pro和iPhone 12 Pro上。蘋果公司使用Sony的SPAD元件和處理技術(shù)來開發(fā)傳感器，并將其稱為L(zhǎng)iDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）掃描儀，以使該技術(shù)與現(xiàn)有傳感器區(qū)分開。

蘋果公司的LiDAR掃描儀可以測(cè)量多達(dá)5米的距離，并且具有比I-ToF傳感器更好的性能。當(dāng)iPhone 12發(fā)布時(shí)，Apple充分利用了這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)了各種基于AR的應(yīng)用程序和功能。

Yole Developpement去年預(yù)測(cè)，隨著蘋果去年推出基于LiDAR Scanner的智能手機(jī)，3D圖像傳感器市場(chǎng)將在2021年顯著增長(zhǎng)。它還預(yù)測(cè)，自2024年起，用于自動(dòng)駕駛汽車的LiDAR傳感器將引領(lǐng)3D圖像傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

實(shí)際上，自動(dòng)駕駛的LiDAR傳感器可提供具有出色分辨率的精確3D圖像，是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵要素。但是，當(dāng)前的LiDAR傳感器被認(rèn)為不適合大規(guī)模生產(chǎn)，因?yàn)樗鼈兇蠖嗖捎脦в?a target="_blank">電機(jī)的機(jī)械掃描方法，這使得這些傳感器又大又昂貴。因此，D-ToF LiDAR傳感器的需求量不斷增加，因?yàn)樗鼈兛梢詼y(cè)量中長(zhǎng)距離，同時(shí)還具有更高的成本效益和緊湊的尺寸。

而且，D-ToF傳感器有望在機(jī)器人和無人機(jī)等下一代移動(dòng)性行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮不可或缺的作用。亞馬遜的物流機(jī)器人和無人機(jī)送貨服務(wù)就是一個(gè)很好的例子。D-ToF傳感器在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域也被認(rèn)為是必不可少的。

SPAD，D-ToF傳感器的基本要素

單光子雪崩二極管（SPAD）是用于下一代半導(dǎo)體的光電檢測(cè)器，由于其非常高的增益，其效率足以檢測(cè)甚至單光子。

當(dāng)將高于擊穿電壓的電壓施加到SPAD時(shí)，發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象，其中巨大的電場(chǎng)使載流子加速，從而使它們與原子發(fā)生碰撞，從而增加了從原子釋放的自由載流子的數(shù)量。這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增，會(huì)導(dǎo)致由圖像傳感器照亮的光子產(chǎn)生大量的自由載流子。這意味著它可以放大光子并將其識(shí)別為更多的光子，即使由于黑暗的環(huán)境或遠(yuǎn)距離發(fā)光而實(shí)際捕獲的光子數(shù)量很少。

另外，由于SPAD陣列在光子進(jìn)入時(shí)會(huì)發(fā)射數(shù)字脈沖，因此更容易跟蹤飛行時(shí)間。此外，它還可以捕獲精確的時(shí)間差，因此即使在毫米和厘米的范圍內(nèi)，也可以確定精確的深度分辨率。

基于SPAD的D-ToF傳感器已經(jīng)在瑞士洛桑的瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院和英國(guó)愛丁堡大學(xué)成功地進(jìn)行了驗(yàn)證和研究。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）還對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了修改，以推出應(yīng)用于多種智能手機(jī)的接近傳感器。

正如使用背面照明（BSI）方法進(jìn)行研究和開發(fā)以提高圖像傳感器的性能一樣，3D堆疊BSI SPAD陣列研究也主要在基于SPAD的D-ToF傳感器領(lǐng)域進(jìn)行。前面提到，蘋果和索尼最近合作成功開發(fā)了性能更好的3D堆疊的基于BSI SPAD的D-ToF傳感器，將其安裝在Apple智能手機(jī)的后置攝像頭上。

在韓國(guó)，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）的研究人員目前正在領(lǐng)導(dǎo)D-ToF傳感器必不可少的SPAD的研究，以獲取原始技術(shù)并推動(dòng)下一代3D堆疊BSI D-ToF傳感器的發(fā)展。

通過收購(gòu)擁有原始技術(shù)的Softkinetic Systems SA，索尼得以在I-ToF傳感器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。同樣，假設(shè)一家擁有最先進(jìn)技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)的關(guān)鍵半導(dǎo)體公司（例如SK hynix）可以與當(dāng)?shù)匮芯咳藛T進(jìn)行積極合作，我們可以期望引領(lǐng)不斷增長(zhǎng)的D-ToF和LiDAR傳感器全球市場(chǎng)。

編輯：jq