一文了解3D摄像头
一文了解3D摄像头
从2D摄像头到3D摄像头，人们最能得到的直观感受是，一个维度的增加，使得单纯的画面变成了更加活泼生动的立体世界。
近几十年来，3D技术催生了新的视觉革命。
如果说触摸屏实现了交互方式从一维到平面，那么3D摄像头将让交互方式从平面变成了立体。
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3D摄像头是什么？
从目前的技术形态来看，一个红外摄像头、一个普通摄像头、一个红外激光发射器以及一块专用芯片简单构成了3D摄像头。
与2D摄像头最大的区别是，3D摄像头除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置及尺寸信息。我们日常中所用到的人脸识别、手势识别、人体骨架识别、三维测量、环境感知以及三维地图重建等数十项功能是基于3D摄像头而实现的。
目前，3D摄像头有三种主流方案，分别是结构光、TOF以及双目立体成像方案。三种方案工作原理均为红外激光发射器发射出近红外光，经过人脸反射后，红外信息被红外光CMOS图像处理器接收，并将信息汇总至图像处理芯片，得到人脸的三维数据，实现空间定位。但三者不同之处在于发射近红外光取得三维数据的方式。
结构光发射的是散斑，TOF是发射面光源，而双目立体成像则是通过双目匹配，进行视差算法。
在主流的三种技术方案中，TOF方案响应速度快，深度信息精度高，识别距离范围大，不易受环境光线干扰，因此是移动端3D视觉比较可行的方案；结构光方案由于技术较为成熟，工业化产品较多，也被部分厂商所采用；双目立体成像是比较新的技术，参与的厂商较少，更适合室外强光条件和高分辨率应用，目前主要应用在机器人视觉、自动驾驶等方面。
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近几年来，由于3D摄像头在消费级和工业级应用逐渐显现出极其广泛的需求，因此全球巨头厂商诸如意法半导体、滨松、欧司朗、艾迈斯、博通、苹果、微软、英特尔、三星、谷歌、索尼等都早早在3D摄像头产业链上进行布局。
从产业链角度看，3D摄像头产业链主要分为上游红外传感器、红外光发射器、光学组件、光学镜头以及红外CMOS图像传感器，中游传感器模组、摄像头模组、光源代工、光源检测以及图像算法，下游终端厂商以及应用。
红外传感器：
红外传感器是距离传感器的高配版，国内暂没有企业切入。目前主要由AMS/Heptagon和意法半导体两大厂商主导。Heptagon一直致力于小型化TOF传感器开发，但2016年已经被AMS收购。此外，TI和infineon也在这一领域有所布局。
红外光发射器：
红外线的主要波长是700nm-2500nm。目前的摄像头图像传感器对900nm以上的红外光感应差，需要更强的光才能感测到，这就要求红外发射器有更大的电流，更多的功耗。而800nm以下的波长，太靠近可见光，极其容易受到太阳光的干扰，所以一般红外的波长选择在800nm-900nm。
目前，可以提供800-900nm波段的光源主要有三种：红外LED、红外LD（激光二极管）以及VCSEL（垂直腔面发射激光器）。
3D摄像头的红外光发射器主要依靠红外LED和激光器两种。
在早期，3D传感系统一般都使用LED作为红外光源。但随着技术的发展，由于LED不具有谐振器，导致光束更加发散，在耦合性方面也不如VCSEL，因此演变成了从LED向VCSEL的转变。目前3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。
VCSEL厂商布局众多，海外主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams和Osram等企业。国内主要有江苏华芯、武汉光迅、山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、光迅科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司。
光学组件：
光学组件主要包括准直镜头、DOE衍射光学元件和滤光片三个部分。
1.准直镜头
准直镜头采用晶圆级镜头制造技术和工艺（WLO），目前技术主要掌握在Heptagon（被AMS收购）、Aptina（被安森美收购）、Himax奇景光电、采钰科技以及设备厂EV Group手中。其中Heptagon掌握了大部分专利，台湾奇景光电2018年初宣布从一家美国科技公司收购了某些先进的纳米3D模具制造资产、知识产权及相关业务。采钰科技于2014年从台积电剥离，主要提供ITO工序。
我国也有厂商在准直镜头领域的布局，目前国内水晶光电参与一部分镀膜工艺，而福晶科技曾为JDSU、Finisar等光通信企业供给通信级准直镜头。华天科技和晶方科技在WLO方面布局较早，主要提供WLO后段加工技术，特别是华天科技具备成熟的加工技术。
2.DOE衍射光学元件
DOE衍射光学元件（Diffractive Optical Elements）是基于光波的衍射原理，利用计算机辅助设计，并通过半导体芯片制造工艺，在基片上（或传统光学器件表面）刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构，行成同轴再现，且具有高衍射效率的一类光学元件。
DOE衍射光学元件应用领域非常广泛，如主要应用在LED节能照明、激光照明、安防监控、智能识别、夜视照明、人机交互、VR/电视/手机、工业自动化、机器人、无人机、车载辅助等等。
目前，DOE衍射光学元件在全球范围内的主要供应商有德国CDA、法国Silios、德国Holoeye、Himax奇景光电、台积电、精材科技和采珏科技等。
拿苹果的3D摄像头来说，DOE衍射光学元件由Primesense（2013年被苹果收购）自行设计pattern图案，台积电提供pattern微纳加工，采钰提供ITO材料，精材科技提供器件封装。
我国初创公司驭光科技从2014年开始就在国内设计、生产DOE产品，目前已进入安卓手机3D传感核心器件供应商。
3.滤光片
滤光片在近红外识别系统中以窄带滤光片为主。
目前窄带滤光片领域主要厂商有两家，一家是由JDSU分拆出的美国的Viavi，另一家则是国内厂商水晶光电，其他厂商还有布勒莱宝光学（Buhler）、美题隆精密光学（Materion）、波长科技（Wavelength）等。
CMOS图像传感器：
CMOS图像传感器已经发展出红外光CMOS图像传感器（IR CIS）和可见光CMOS图像传感器（Vis CIS）。
其中，红外光CMOS图像传感器（IR CIS）用来接收被手部或脸部反射的红外光，这是一个比较成熟的器件。目前应商主要包括意法半导体、奇景光电、三星电子、富士通等公司。
而可见光图像传感器（Vis CIS）是非常成熟的商业化产品，随着智能手机拍照功能的不断完善，可见光CIS的分辨率越来越高、功耗越来越小、技术也越来越先进。
相比于可见光CMOS图像传感器，红外光CMOS图像传感器还是一个比较小的市场，但是增速很快，随着热成像、汽车夜视、安防监控、手势识别、虹膜识别等的普及，红外CIS出货量有望快速增长。
图像处理芯片：
图像处理芯片需要将红外光CMOS图像传感器采集的位置信息与可见光CMOS图像传感器采集的物体平面信息处理成单像素含有深度信息的三维图像。由于该芯片具有一定的技术壁垒，对于算法层面的要求较高，因此目前全球范围内可以提供该类产品的公司为少数几家芯片巨头，包括意法半导体、德州仪器、英飞凌和恩智浦（已被高通收购）等。而国内厂商全志科技、北京君正和瑞芯微在几年前平板电脑爆发时得到了快速成长，也具备一定的实力生产。
3D摄像头的视觉方案涉及较多的硬件部分，里面需要红外发射端、红外接收摄像头、可见光摄像头、图像处理芯片四大部分的协同合作。红外光的发射与接收之间的匹配对整个3D视觉方案的准确度和响应速度至关重要，因此整个系统模组的封装和集成是非常关键的。
例如，联想Phab2 Pro手机，3D深度相机的模组封装与集成是由舜宇光学完成的。除了舜宇光学之外，其他具备移动端3D方案模组封装的厂商还包括欧菲光、LG Innotek、Sharp等。
图像算法：
算法与软件层面，3D视觉在算法方面与人工智能结合，将实现识别精度的大幅提升，对于更加复杂的手部动作/面部表情可以进行更加深刻的理解和分析，这将极大促进3D视觉的推广和实用价值。
但目前算法方面还没有成为独立的一环。大部分综合技术方案供应商已经在算法层面进行优化，目标是为客户提供硬件+算法一体化的方案。
3D摄像头可广泛运用于电视、手机、机器人、无人机、物流、VR/AR、智能家居安防、汽车驾驶辅助等领域。
具体体现在，手机/平板的3D摄像头可实现3D人脸解锁、AR拍照、刷脸支付、刷脸取款的功能。智能安防可用到刷脸门禁、刷脸安检等场景的3D人脸识别身份验证。智慧家居，如在客厅/卧室，3D传感摄像头搭配大屏电视使用，可为用户提供AR教育、游戏、体感健身等众多内容。机器人3D视觉领域，机器人四合一视觉系统通过扫描获取物体的3D图像信息，可快速实现三维地图创建、避障、导航等功能。此外，3D摄像头还可以做到极速测量体型数据，智能匹配商品尺码以及私人订制服装等等。
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从2D向3D摄像头的转变被誉为是继黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、静态图像到动态影像后的第四次革命，有望再度引爆消费电子产业的发展。
2008年，微软联合JDSU、Primsense开始一起研发3D摄像头，第一次迎来了市场的快速发展。当时，微软对于3D摄像头认识的第一代是基于光飞行时间（TOF）的，第二代才基于结构光，但TOF在手机领域显得更有前途。
2013年苹果收购了主做飞行时间的3D探测检测芯片的Primesense。
在Primesense的扶助下，2017年9月，苹果公司推出搭载3D Sensing摄像头、支持人脸识别的iPhone X面世，带动了后来智能手机3D Sensing的浪潮。
Yole也将iPhone X定位为3D成像新时代的开始。
随着3D摄像头技术的不断演进，娱乐业的发展，用户体验的提升，虚拟现实的应用，工业自动化以及家庭自动化成为3D摄像头市场增长的重要驱动力。尤其5G高速率的特点能够很好地弥补 3D 数据信息传输速率不足的缺陷，为3D/超高清视频提供底层核心技术支持。而基于5G、AI技术的3D传感技术亦将撬动AR/VR产业的发展，3D摄像头前景广阔。
有预测数据显示，3D摄像头市场规模将从2015年的12.5亿美元增长到2021年的78.9亿美元，年均增长率达35%。而核心驱动力将来自于消费市场，尤其是手机端需求的带动。
据了解，2020年有15%-20%的手机有望搭载ToF摄像头，实现3D相关手机应用，届时仅是智能手机市场规模将接近60亿美元。
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