3D 感測技術,你不可不知的廠商動態與技術發展

雖然 2018 年才剛開始,但 Apple 於 2017 年 9 月推出 iPhone X 後,3D 感測等新技術便成為今年討論度最高的議題。說到 3D 感測,消費者最有印象的大概就是臉部解鎖、Animoji 表情偵測兩項功能。隨著其他手機廠商也將陸續跟進,之後可望見到非蘋陣營手機搭載 3D 感測技術,LEDinside 預估,全球行動裝置 3D 感測市值將在 2020 年上升至 15 億美元,年複合成長率為 209%。
 
除行動裝置外,3D 感測技術也可見於其他多項應用,包含擴增/虛擬實境裝置、車用領域、無人機、生物辨識、機器人、遊戲裝置、筆記型電腦和居家設備等。這也意味著有眾多廠商投入 3D 感測模組、零組件、系統或是演算法之研發。筆者列出各研發領域中主要廠商與其動態發展,其中包括我們早已熟知的科技大廠和一些耕耘多年也值得關注的廠商。
 
3D 感測主要包含幾項技術:飛時測距、結構光、Light Coding 和 Stereo Vision,廠商以研發前兩項居多。
 
 
Microsoft, Sony 等大廠早已投入 TOF 飛時測距感測技術開發
 
TOF 主要是透過光在鏡頭模組與受測物體間來回通行的速度來計算出與受測物體間的距離,而模組系統中關鍵零組件包含打出脈衝光的 LED 或雷射二極體和感測元件。經多年研發,TOF 感測技術也漸成熟,主要投入研發的廠商有 Microsoft、Sony、Infineon、 PMD Technologies。
 
從廠商投入 TOF 技術研發的歷史來看,外界對 Microsoft 著力於 3D 感測技術研發的第一次印象可追溯於 2009 年 Microsoft 以 3,500 萬美元買下 3DV Systems,以及隔年併購 3D 感測晶片研發廠 Canesta 的動態。此後推出的 Xbox One 遊戲裝置中的 Kinect 即搭載 TOF 感測技術,讓玩家可以利用手勢辨識或語音指令進行遊戲。
 
另一大廠 Sony,則是在 2015 年買下比利時手勢識別技術公司 SoftKinetic 和其最知名的 DepthSense TOF 感測系統。兩年後,Sony 便推出全球最小的 TOF 感測元件,體積僅 10 微米平方像素卻能非常精準執行距離量測。
 
同時,德國半導體廠商 Infineon 和 PMD Technologies 也投入 3D TOF 感測元件的開發使用於諸多應用,更合作開發華碩 Zenfone AR 中的REAL3 TOF 圖像感測元件。包含 Google Tango 和聯想 Phab 2 Pro 中的 3D 模組,皆是採用 PMD 所研發的模組。
 
2017 年 7 月 PMD 也宣布與中國新創公司 Untouch 合作,採用後者研發的 3D 手勢辨識方案—黎曼平台作為 CamBoard Pico flexx 模組的中介軟體,可以讓人們在使用行動裝置過程中體驗更直覺式的人機互動。
 
另外,德州儀器也為機器人、自動化建築等領域研發了一系列 TOF 感測技術。
 
其實,大致看來,因為感測原理和距離計算方式等因素,TOF 感測技術許多時候較常被使用於著重距離或物體偵測的應用中,為其提供量測距離等數據。
 
結構光感測技術由蘋果供應鏈廠商主導
 
一個結構光感測模組內主要包含發射器和接收器,藉由向受測物體打出一個光形,接收物體反射回來的形變光,再透過演算法來推算物體深度。而其中,VCSEL 的角色便是提升出光集中度,並確保光在通過晶圓級光學透鏡和繞射元件後能均勻分布在物體上。
 
相較之下,以市面上的產品來說,結構光感測原理為推算法(推算物體深度),較常用在著重辨識/識別的應用裡。依據不同演算法,一方面可以辨別受測人或物的特徵是否與系統中預存資料相符合,進而確認是否需解鎖該應用裝置,這正是 iPhone X 的 face ID 功能,因而,我們可以重新檢視蘋果的 3D 感測模組供應鏈。
 
蘋果 TrueDepth 發射器模組中的 dot projector、flood illuminator、proximity sensor 代表先進光學半導體技術的集成。VCSEL 的部分結合Lumentum 和 II-VI 的設計、IQE 的長晶技術、Winsemi 的切割和 AWSC 的封裝技術,而形塑結構光的 DOE 元件則是由 Corning 提供材料、台積電製造再由采鈺和精材完成後段製程。
 
接收器模組則是採用蘋果原有的 700 萬畫素相機和由大立光、STM、同欣電接力製造的紅外線鏡頭。
 
而蘋果前一陣子也宣布向 Finisar 下單 3.9 億美元購買 VCSEL 置入無線耳機 Airpods 中,Finisar 預計在 2018 下半年開始出貨。
 
Qualcomm搭Himax將成2018年下旬觀察焦點
 
除此之外,今年又將有另一條 3D 感測供應鏈浮出檯面,成員包含:Qualcomm、Himax,再另外搭配潛在 VCSEL 供應商 Lumentum 或 ams旗下的 Princeton,可以期待將有搭載 Himax 研發的 WLO、DOE 元件與 Qualcomm 自家運算晶片和演算法的 3D 感測模組上市。至於 VCSEL 的來源目前推測可能是具有生產 6 吋晶圓能力的 Princeton 和 Lumentum 兩者其一。Qualcomm 和 Himax 陣營的 3D 模組最快可能在下半年推出的 Android 手機中可以見到真面目。
 
3D 感測需要的技術繁複,舉凡演算法、晶片、光學元件都必須符合高效、高規格標準,可以想像這背後投入的廠商數量何其多,未來幾年更會越來越多,參與的廠商類別也會越來越多元。
 
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