圖像傳感器將光波轉換為數字信號以形成圖像。它是智能手機的一項必不可少的技術，其中相機被認為是至關重要的，并且有望在諸如自動駕駛汽車和機器人之類的未來技術中發揮關鍵作用。圖像傳感器被視為半導體行業的核心類別，因為它與其他相關行業緊密相連，因此可以產生更大的價值。

當前，智能手機占圖像傳感器總需求的70％，這是最大的需求。然而，據預測，在諸如自動駕駛汽車之類的未來行業中，對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，全球高科技公司越來越關注。行業參與者預測，圖像傳感器市場中當前領導者的市場主導地位將來可能會大大下降。結果，諸如索尼之類的當前領導者正在積極投資于下一代圖像傳感器的研發。

3D圖像傳感器：引領圖像傳感器市場的形態因素

最近，作為有望引領圖像傳感器市場的新型外形，3D圖像傳感器已引起了很多關注。現有的圖像傳感器只能實現2D圖像，而3D圖像傳感器則可以通過測量到對象的距離（深度）并將其可視化為3D圖像，從而更精確地識別對象和動作。

根據去年的Yole Developpement報告，預計3D圖像傳感器市場的年均增長率將達到20％，從2019年的50億美元增長到2025年的150億美元。在同一時期，智能手機細分市場預計將以到2025年，該市場將達到26.2％的市場份額，并占據3D圖像傳感器市場一半以上的份額。汽車領域排名第二，在這一時期，預計它將創下27％的最高年增長率。

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

現在，更多主要的智能手機制造商，例如三星，LG，華為，OPPO和Vivo，都參加了一場技術競賽，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：立體視覺、結構光和飛行時間（ToF）。ToF進一步分為兩種技術，包括測量相位差的 Indirect ToF（I-ToF）和測量時間差的Direct ToF（D-ToF）。

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

D-ToF方法通過發出短脈沖光然后測量發射的光返回所需的時間來檢測與物體的距離。它可以測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圖像傳感器的關鍵

蘋果早期iPhone X型號的前置攝像頭中，結構化光用于3D圖像傳感器，但此后，開發了使用I-ToF的微圖像傳感器，如今在智能手機中得到了越來越廣泛的應用。值得注意的是，圖像傳感器市場的主要參與者索尼在2015年收購Softkinetic Systems SA來增強其圖像傳感器相關產品之后，憑借I-ToF圖像傳感器獲得了較高的市場份額。

也就是說，D-ToF圖像傳感器的重要性將進一步提高。盡管預計智能手機中的3D圖像傳感器的數量將顯著增加，但它們將大部分安裝在手機的背面，因為這將使應用程序比正面更靈活。由于安裝在背面的3D圖像傳感器應該能夠測量5到10米以上的距離，因此有競爭力的研究基于SPAD的D-ToF技術非常重要。

實際上，根據Markets and Markets關于2020年ToF圖像傳感器市場的研究，估計到2025年I-ToF傳感器的年均增長率將達到11％，而D-ToF傳感器的年均增長率將達到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元件和處理技術來開發傳感器，并將其稱為LiDAR（光檢測和測距）掃描儀，以使該技術與現有傳感器區分開。

蘋果公司的LiDAR掃描儀可以測量多達5米的距離，并且具有比I-ToF傳感器更好的性能。當iPhone 12發布時，Apple充分利用了這種技術優勢，強調了各種基于AR的應用程序和功能。

Yole Developpement去年預測，隨著蘋果去年推出基于LiDAR Scanner的智能手機，3D圖像傳感器市場將在2021年顯著增長。它還預測，自2024年起，用于自動駕駛汽車的LiDAR傳感器將引領3D圖像傳感器市場的增長。

實際上，自動駕駛的LiDAR傳感器可提供具有出色分辨率的精確3D圖像，是自動駕駛的關鍵要素。但是，當前的LiDAR傳感器被認為不適合大規模生產，因為它們大多采用帶有電機的機械掃描方法，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，因為它們可以測量中長距離，同時還具有更高的成本效益和緊湊的尺寸。

而且，D-ToF傳感器有望在機器人和無人機等下一代移動性行業的發展中發揮不可或缺的作用。亞馬遜的物流機器人和無人機送貨服務就是一個很好的例子。D-ToF傳感器在工廠自動化領域也被認為是必不可少的。

SPAD，D-ToF傳感器的基本要素

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

當將高于擊穿電壓的電壓施加到SPAD時，發生碰撞電離現象，其中巨大的電場使載流子加速，從而使它們與原子發生碰撞，從而增加了從原子釋放的自由載流子的數量。這種現象稱為雪崩倍增，會導致由圖像傳感器照亮的光子產生大量的自由載流子。這意味著它可以放大光子并將其識別為更多的光子，即使由于黑暗的環境或遠距離發光而實際捕獲的光子數量很少。

另外，由于SPAD陣列在光子進入時會發射數字脈沖，因此更容易跟蹤飛行時間。此外，它還可以捕獲精確的時間差，因此即使在毫米和厘米的范圍內，也可以確定精確的深度分辨率。

基于SPAD的D-ToF傳感器已經在瑞士洛桑的瑞士聯邦技術學院和英國愛丁堡大學成功地進行了驗證和研究。意法半導體（STMicroelectronics）還對這項技術進行了修改，以推出應用于多種智能手機的接近傳感器。

正如使用背面照明（BSI）方法進行研究和開發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傳感器領域進行。前面提到，蘋果和索尼最近合作成功開發了性能更好的3D堆疊的基于BSI SPAD的D-ToF傳感器，將其安裝在Apple智能手機的后置攝像頭上。

在韓國，韓國科學技術研究院（KIST）的研究人員目前正在領導D-ToF傳感器必不可少的SPAD的研究，以獲取原始技術并推動下一代3D堆疊BSI D-ToF傳感器的發展。

通過收購擁有原始技術的Softkinetic Systems SA，索尼得以在I-ToF傳感器領域占據主導地位。同樣，假設一家擁有最先進技術和基礎架構的關鍵半導體公司（例如SK hynix）可以與當地研究人員進行積極合作，我們可以期望引領不斷增長的D-ToF和LiDAR傳感器全球市場。

編輯：jq