dToF将是3D图像传感器的下一个发力点

图像传感器将光波转换为数字信号以形成图像。它是智能手机的一项必不可少的技术，其中相机被认为是至关重要的，并且有望在诸如自动驾驶汽车和机器人之类的未来技术中发挥关键作用。图像传感器被视为半导体行业的核心类别，因为它与其他相关行业紧密相连，因此可以产生更大的价值。

当前，智能手机占图像传感器总需求的70％，这是最大的需求。然而，据预测，在诸如自动驾驶汽车之类的未来行业中，对图像传感器的需求将大大增加。

随着图像传感器重要性的增长，全球高科技公司越来越关注。行业参与者预测，图像传感器市场中当前领导者的市场主导地位将来可能会大大下降。结果，诸如索尼之类的当前领导者正在积极投资于下一代图像传感器的研发。

3D图像传感器：引领图像传感器市场的形态因素

最近，作为有望引领图像传感器市场的新型外形，3D图像传感器已引起了很多关注。现有的图像传感器只能实现2D图像，而3D图像传感器则可以通过测量到对象的距离（深度）并将其可视化为3D图像，从而更精确地识别对象和动作。

根据去年的Yole Developpement报告，预计3D图像传感器市场的年均增长率将达到20％，从2019年的50亿美元增长到2025年的150亿美元。在同一时期，智能手机细分市场预计将以到2025年，该市场将达到26.2％的市场份额，并占据3D图像传感器市场一半以上的份额。汽车领域排名第二，在这一时期，预计它将创下27％的最高年增长率。

自2010年代初以来，3D图像传感器已在智能手机中使用，其功能包括AutoFocus 和Proximity Sensing 。此外，在苹果大力推广了Face ID功能（3D面部识别技术，该技术于2017年首次在iPhone X上首次推出）之后，它作为一种有望引领智能手机创新的新形式而受到了广泛关注。

现在，更多主要的智能手机制造商，例如三星，LG，华为，OPPO和Vivo，都参加了一场技术竞赛，以提出最好的3D图像传感器。

3D图像传感器如何工作？

3D图像传感器捕获图像的方式主要分为三种技术：立体视觉、结构光和飞行时间（ToF）。ToF进一步分为两种技术，包括测量相位差的 Indirect ToF（I-ToF）和测量时间差的Direct ToF（D-ToF）。

I-ToF是一种方法，该方法通过使用以特定频率调制的激光来测量物体的距离，并使用反射和反射的信号来测量相位差。尽管使用现有的光电二极管（PD）组件比较容易实现，但是由于光电探测器的效率低，很难测量到相距几米以上物体的距离。

D-ToF方法通过发出短脉冲光然后测量发射的光返回所需的时间来检测与物体的距离。它可以测量十米或一百米外的物体，但是将需要单光子雪崩二极管（SPAD）。

D-ToF：下一代3D图像传感器的关键

苹果早期iPhone X型号的前置摄像头中，结构化光用于3D图像传感器，但此后，开发了使用I-ToF的微图像传感器，如今在智能手机中得到了越来越广泛的应用。值得注意的是，图像传感器市场的主要参与者索尼在2015年收购Softkinetic Systems SA来增强其图像传感器相关产品之后，凭借I-ToF图像传感器获得了较高的市场份额。

也就是说，D-ToF图像传感器的重要性将进一步提高。尽管预计智能手机中的3D图像传感器的数量将显着增加，但它们将大部分安装在手机的背面，因为这将使应用程序比正面更灵活。由于安装在背面的3D图像传感器应该能够测量5到10米以上的距离，因此有竞争力的研究基于SPAD的D-ToF技术非常重要。

实际上，根据Markets and Markets关于2020年ToF图像传感器市场的研究，估计到2025年I-ToF传感器的年均增长率将达到11％，而D-ToF传感器的年均增长率将达到37.3％，是I-ToF传感器的三倍以上。

去年，苹果公司是第一家在背面添加D-ToF传感器的智能手机提供商，该传感器配备在iPad Pro和iPhone 12 Pro上。苹果公司使用Sony的SPAD元件和处理技术来开发传感器，并将其称为LiDAR（光检测和测距）扫描仪，以使该技术与现有传感器区分开。

苹果公司的LiDAR扫描仪可以测量多达5米的距离，并且具有比I-ToF传感器更好的性能。当iPhone 12发布时，Apple充分利用了这种技术优势，强调了各种基于AR的应用程序和功能。

Yole Developpement去年预测，随着苹果去年推出基于LiDAR Scanner的智能手机，3D图像传感器市场将在2021年显着增长。它还预测，自2024年起，用于自动驾驶汽车的LiDAR传感器将引领3D图像传感器市场的增长。

实际上，自动驾驶的LiDAR传感器可提供具有出色分辨率的精确3D图像，是自动驾驶的关键要素。但是，当前的LiDAR传感器被认为不适合大规模生产，因为它们大多采用带有电机的机械扫描方法，这使得这些传感器又大又昂贵。因此，D-ToF LiDAR传感器的需求量不断增加，因为它们可以测量中长距离，同时还具有更高的成本效益和紧凑的尺寸。

而且，D-ToF传感器有望在机器人和无人机等下一代移动性行业的发展中发挥不可或缺的作用。亚马逊的物流机器人和无人机送货服务就是一个很好的例子。D-ToF传感器在工厂自动化领域也被认为是必不可少的。

SPAD，D-ToF传感器的基本要素

单光子雪崩二极管（SPAD）是用于下一代半导体的光电检测器，由于其非常高的增益，其效率足以检测甚至单光子。

当将高于击穿电压的电压施加到SPAD时，发生碰撞电离现象，其中巨大的电场使载流子加速，从而使它们与原子发生碰撞，从而增加了从原子释放的自由载流子的数量。这种现象称为雪崩倍增，会导致由图像传感器照亮的光子产生大量的自由载流子。这意味着它可以放大光子并将其识别为更多的光子，即使由于黑暗的环境或远距离发光而实际捕获的光子数量很少。

另外，由于SPAD阵列在光子进入时会发射数字脉冲，因此更容易跟踪飞行时间。此外，它还可以捕获精确的时间差，因此即使在毫米和厘米的范围内，也可以确定精确的深度分辨率。

基于SPAD的D-ToF传感器已经在瑞士洛桑的瑞士联邦技术学院和英国爱丁堡大学成功地进行了验证和研究。意法半导体（STMicroelectronics）还对这项技术进行了修改，以推出应用于多种智能手机的接近传感器。

正如使用背面照明（BSI）方法进行研究和开发以提高图像传感器的性能一样，3D堆叠BSI SPAD阵列研究也主要在基于SPAD的D-ToF传感器领域进行。前面提到，苹果和索尼最近合作成功开发了性能更好的3D堆叠的基于BSI SPAD的D-ToF传感器，将其安装在Apple智能手机的后置摄像头上。

在韩国，韩国科学技术研究院（KIST）的研究人员目前正在领导D-ToF传感器必不可少的SPAD的研究，以获取原始技术并推动下一代3D堆叠BSI D-ToF传感器的发展。

通过收购拥有原始技术的Softkinetic Systems SA，索尼得以在I-ToF传感器领域占据主导地位。同样，假设一家拥有最先进技术和基础架构的关键半导体公司（例如SK hynix）可以与当地研究人员进行积极合作，我们可以期望引领不断增长的D-ToF和LiDAR传感器全球市场。

编辑：jq