3D感測熱潮來襲,智能型手機市場迎接新變革

source:Apple 官網

Apple iPhone X搭載Face ID功能,掀起產業對3D感測的高度關注,除了Android陣營廠商如華為、小米等預期將跟進,高通與奇景開發的3D感測方案也已經進入實機展示階段。

拓墣預估,至2020年全球智能型手機3D感測模塊產值將達108.5億美元。

3D感測技術原理

3D感測技術最關鍵也最具挑戰的部分,在於能夠精確的進行距離量測,而各家演算法不同形成了專利壁壘,也讓每家3D感測模塊零組件產生些微差異。目前較常見的感測技術包括Stereo Vision、Structured Light及Time of Flight(ToF)。

Stereo Vision透過2個相機模塊拍攝影像,進行三角測量法(Triangulation)等運算取得物體距離,此方法也是三者中唯一只需RGB相機模塊,而不用IR模塊技術。

此外,由於Stereo Vision需進行影像運算,多數狀況是需要1個額外的影像運算晶元輔助,所以也有些晶元廠商會推動此技術發展。

Structured Light原理是對空間以獨特的圖形打出IR雷射,透過雷射散斑(Laser Speckle)獨特性分析不同區域的IR距離,獲得景深圖。基本零組件包括IR發射器、IR相機模塊與RGB相機模塊。

Time of Flight原理是透過IR發射,獲得空間中每一點達到觀測點的時間,進而推算出距離,然後再得出3D景深圖,因此ToF同樣需IR發射器和接收器,並配合RGB相機模塊。

如果單純只是要透過ToF測量距離,接收器可用單顆感光二極體即可,但如果需要3D景深圖,就得採用感光元件或至少感應陣列。

3D感測產業鏈拆解

隨著3D感測崛起的關鍵零組件非VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直腔面發射器)莫屬,其為IR發射器模塊光源,也是目前ToF和Structured Light等技術常用的光源。

相較於被取代的LED,VCSEL擁有更佳光束質量、較低光束髮散度(Divergence),能耗也較低。此外,在模塊體積上,VCSEL也比邊緣發射激光器(Edge-Emitting Laser,EEL)更有優勢。

以結構來說,VCSEL晶元在切割好後,需與其他2項關鍵元件做封裝:晶圓級光學鏡頭WLO(Wafer Level Optics)和繞射式光學元件DOE(Diffractive Optical Elements)。封裝好的VCSEL模塊功能作為發射端(TX),再與接收端(RX)如紅外線鏡頭搭配,即可建構成一套基本的3D感測系統。

VCSEL利用半導體製程生產,Apple陣營採用6吋砷化鎵晶圓做切割,但目前業界能達到6英寸量產的廠商並不多;其他VCSEL供應商目前能量產的多數為4吋、少數為3吋,使市場整體供需情況緊繃,也連帶影響非蘋陣營導入3D感測技術的速度。

以3D感測技術供應商來看,除了Apple陣營的Lumentum/II-VI外,非蘋陣營中,解決方案較完整(有能力提供模塊)的供應商實際上並不多,目前已出貨3D感測模塊給手機廠商的是Google陣營,由德國PMD設計IR CIS和Infineon代工,關鍵的VCSEL由Princeton Optronics提供。

另一個陣營是Qualcomm和奇景的組合,由Qualcomm提供解決方案和晶元設計,奇景提供WLO和DOE等光學元件。

結合以上因素,非蘋陣營要跟進採用3D感測模塊的門檻不低,因此如曠視科技提供的平台式人臉解鎖,將成為Android陣營克服以上難題的過渡期方案。

從iPhone X開始發酵,3D感測商機無限

觀察3D感測發展,過去聯想與華碩曾推出搭載Google Tango模塊的手機產品,但市場反應有限,直到2017年iPhone X導入TrueDepth相機模塊,才使3D感測重新受到市場關注。

從產品角度來看,iPhone X是支擁有處理AR和AI所需大量運算的裝置;在攝影角度上是除了二維信息外,擁有記錄空間概念的裝置,對光的處理從被動走向主動;在3D感測角度上來看,是3D感測將普及於行動裝置的啟始。

現階段市場最關注的莫過於Android陣營中,誰將率先跟進搭載3D感測模塊,目前呼聲最高的華為預計將會在2018年推出搭載後置3D感測模塊產品,主要應用功能是強化AR功能,並非iPhone X的人臉辨識,顯示Android陣營將先採取技術門檻較低的ToF方案。

此外,VCSEL主要供應商Lumentum與Apple間存在專利協議,使得Android陣營若欲在短期內跟進只能舍VCSEL而擇EEL,然而EEL的光電轉換效率較差,且成本較高,這將使Android陣營的3D感測方案在效率與成本上仍難與Apple匹敵。

據此,保守估計2018年最多可能僅有兩家Android廠商跟進,包括華為及呼聲亦高的小米,惟生產數量都不會太多,所以Apple仍將是手機3D感測的最大採用者。預計2018年全球搭載3D感測模塊的智能型手機生產總量將來到1.97億支,其中iPhone就佔了1.65億支。

此外,2018年的3D感測模塊市場產值預估約為51.2億美元,其中由iPhone貢獻比重就高達84.5%。

不過,3D感測模塊帶來的應用也不僅只有人臉辨識,還包括提升相機表現,甚至帶來人機互動界面革新等,因此若要與Apple競爭,非蘋陣營要大舉跟進採用3D感測模塊的可能性還是很大,長期而言,將有助於3D感測在智能型手機上的普及。

預計至2020年整體產值將達108.5億美元,而2018~2020年CAGR為45.6%。

3D感測技術不只有望成為智能型手機的標準配備,未來也將逐步導入至NB、電視、遊戲機、無人機、自動駕駛、居家自動化等領域,從生物辨識、AR強化到體感追蹤,帶來更多的可能性與商機。

文丨拓墣產業研究院 蔡卓邵


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