2017 年苹果 iPhone X 带动的“刷脸解锁”功能敲开 3D 传感器技术大门。这三年来，三大 3D 视觉解决方案：结构光、ToF 和立体视觉，因为各擅胜场，彼此交战下更引发浓浓火药味。

时间再往前拉至 2014 年，一家汇聚斯坦福等名校菁英成立的光学技术新创公司，看好锗硅 GeSi 这个材料适合用来研发 3D 传感器，隔年，这群初生之犊不畏虎的年轻创业者找上了台积电，希望能为其打造独特的 GeSi 工艺平台。

（来源：Artilux）

一向是全球 IC 设计新创公司背后推手的台积电，花了约一年时间评估该技术的可行性、市场前景、团队技术背景之后，决定成立全新的 GeSi 工艺平台，提供技术支援，在全球都以硅材料做 3D 传感器的市场中，无疑是对于该团队技术的莫大肯定。

之后的进展非常顺利， 2017 年双方确认采用 GeSi 材料制作 3D 传感器是可行技术，2018 年全球第一颗采用 GeSi 的 ToF 技术 3D 传感器诞生于世。

这家带有传奇色彩的 3D 传感器技术新创公司叫做 Artilux (光程研创)，总部位于台湾新竹，在硅谷及深圳皆设有据点。

Artilux (光程研创)以 GeSi 工艺制造的 3D 传感器最大特点是长波长的特性，波长可以推升至 1,550nm，相较现在成熟量产的 940nm 波长有更多优势，该颠覆性技术已在台积电的 12 寸厂投片，预计 2020 年初量产导入客户端，已引起众多半导体业者、系统厂商，以及资本界的关注与追逐。

Artilux 共同创办人兼执行长陈书履及其初始团队早期曾经参与英特尔（Intel）的“硅光计画”，在创业之初即发现硅光通讯的锗硅 GeSi 材料的特性应用在 3D 传感器上，能补足目前主流的硅技术，因此催生这项技术。

事实上，台积电对于新的传感器技术一直非常重视，且是慧眼独具。

因为，很多传感器芯片公司都是 IDM 厂，自己掌握设计研发和收生产能力，因此台积电对于扶植新的传感技术情有独钟，也是有其原因。

台积电曾经扶植一家传感器新税公司量宏科技（InVisage Technologies），它提出的量子薄膜（QuantumFilm）技术可取代部分相机中的的 CIS 技术，也是颠覆性技术。

量宏科技甚至于 2015 年到台积电新竹总部 Fab12 旁边设立传感器工厂，以利于台积电技术配合，而这家公司因为其技术独特性，在 2017 年被苹果收购了。

（来源：Artilux）

刷脸解锁的同时，你正在伤害你的眼睛

为什么台积电会在五年前决定全力技术支持这家成立不到两年的新创公司？Artilux 颠覆传统技术为 3D 传感器带来的长处，或许就是答案。

Artilux 采用 GeSi 工艺飞时（ToF）技术 3D 传感器有三个优点：

第一，具备感测长波长雷射光的特性，具深度辨识精确度。

第二，降低视网膜因吸收短波长雷射而受损的风险。

第三，提升抗阳光干扰的能力，在户外及室内达到一致的使用体验。

3D 传感器因为苹果 iPhoneX 的导入，成为指纹辨识之后，下一个智能手机的标配功能，安卓手机阵营更是趋之若鹜。

然而，科技业者不会提醒一般消费者的隐藏讯息是，市面上 3D 传感器发射出来的雷射光，可能会被人类视网膜吸收，长期射入会对人的眼球造成伤害。

一般来说，是雷射波长越长，对于人眼的伤害越低，再来看现在主流 3D 传感器的问题。

目前主流的 3D 传感器解决方案的波长多小于 1000nm，主要是 850nm、940nm 两种，而人类视网膜会吸收在此一波长区段的雷射能量。试想，人眼在强光之下，瞳孔会反射性变小，但 940nm 波长之下，虽然人眼是可以吸收的，但如果雷射坏掉或设计不当，人眼无法感知和反应，无形中是在伤害眼睛。

再者，850nm、940nm 波长的另一个缺点是，太阳光对于此短波长频段的光线会造成明显的干扰，使得室外阳光下的 3D 感测性能大幅降低。

（来源：Artilux）

既然如此，那为何不用长波长的技术来实现 3D 传感器？

其实，产学界都知道此问题，虽然不会提到台面上讨论，但私下都很积极投入长波长技术的研发，只是受限于材料在长波长频段的光电转换效能较低，要推进到 1000nm 以上，基本上很少成功者。

所谓的光电转换效能，是指从代表光电转换率的量子效率 QE（Quantum Efficiency）指标上，一般基于硅制程的 3D 传感器在 940nm 处的 QE 约 30%，但当波长进入 1000nm 区段后， QE 便急剧下探至趋近于 0%，这就是投入长波长技术的厂商会遇到的最大问题。

而这个关键的瓶颈，却被 Artilux 克服了。

Artilux 因为采用锗硅 GeSi 作为光吸收的材料，并且与 CMOS 技术整合在硅片上，再利用独门的 ToF 感光技术，突破长久以来存在于物理和工程上的障碍，即使是超过 1000nm 的长波长， QE 值也能维持。

举例而言，Artilux 以 GeSi 为材料作出来的 3D 传感器在 940nm 区段时，QE 可以提高至 70%，而 1550nm 区段也可以维持在 50% ，突破传统以硅为材料下，波长进入 1000nm 区段后 QE 会趋近于 0% 的瓶颈。

再者，其调制频率（Modulation Frequency，MF）设定可达 500MHz 以上，能针对特定应用情境提供更为精细的3D辨识成果。

Artilux 也自主研发 3D 算法、专属像素（Pixel）、芯片（ASIC）设计，针对手机、机器视觉、车用光达（LiDAR）等不同应用提供客制化的芯片，未来更会扩大打造相关生态体系。

三大 3D 传感器技术阵营火热交锋

再来看看现在市面上三种主流 3D 传感器技术的比较：飞行时间 ToF、结构光、立体视觉。

飞行时间 ToF（Time of Flight）：原理是通过红外发射器发射光脉冲，根据折返的时间来计算与物体之间的距离，以得出 3D 景深图。

优点是探测距离远、抗光干扰性佳，主要应用领域有医疗检测、工业用机器视觉、智能手机、游戏机、AR/VR 及智慧车等。

技术代表公司有意法半导体 ST、德州仪器 TI、英飞凌、AMS、索尼 Sony、pmd、微软等。

结构光（Structured Light）：原理是通过红外激光器，将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上，再由专门的红外摄像头采集反射的结构光图案，利用三角原理计算出物体的三维座标。

优点是深度准确高，但缺点是强光环境下基本很难使用，且比较适合短距离测量。

目前主要应用领域是人脸辨识、体感游戏机、工业用机器视觉检测（AOI）等。

代表公司有苹果（收购以色列公司 Prime Sense）、高通、华为、奥比中光、英特尔（RealSense 技术）、Mantis Vision 等。

立体视觉（Stereo Vision）：原理和 ToF、结构光不同，它不对外主动投射光源，是基于人眼视差的原理，在自然光源下透过两个或两个以上相机模组从不同的角度对同一物体拍摄影像，再进行三角测量法等运算来取得与物体之间的距离资讯。

优点是低成本、省电，缺点是非常依赖环境中的自然光线采集图像，对于光照角度变化、环境强度等影响，拍摄的两张图片亮度差别会比较大，算法的挑战较大。

主要是应用在 3D 相机、AR/VR 头戴式装置、机器人等领域。

代表公司有 Leap Motion、ZED、大疆创新等。

苹果收购 PrimeSense 独享结构光技术

在上述三大技术中，因为苹果是首家将结构光技术使用在 iPhone X 上进行人脸识别解锁的公司，所以该技术最早就受到了主流阵营的高度关注。

苹果的结构光 3D 传感技术是来自于以色列公司 PrimeSense ，苹果在 2013 年以 3.6 亿美元将其收购。而这家公司是成立于 2005 年，并在隔年研发出 3D 传感器。

其实，第一家眼光精准，看中 PrimeSense 技术并发扬光大的其实是微软 Kinect 产品，只是后来微软自研技术，改采用 ToF 的 3D 传感技术，而 PrimeSense 的故事也没有结束，是由苹果收购后，接棒续演。

苹果将 3D 传感技术用在脸部辨识解锁后，当然是引来安卓阵营的一阵跟进，但 PrimeSense 的技术已被苹果独占，安卓的手机势必要找寻其他解决方案。

这样的故事走向，与当时苹果带动的指纹辨识技术，是来自于收购 Authentic 是如出一辙，安卓手机阵营为了追赶，陆续造就汇顶、神盾这些非苹阵营的指纹辨识 IC 设计公司冒出头来。

在非苹阵营的结构光 3D 传感器商机上，高通也是跃跃欲试。早在 2017 年高通就与台系 IC 设计公司奇景合作推出结构光技术的 3D 传感器产品。

据了解，高通虽然很早押宝结构光技术，但之后也会转向 ToF 的 3D 传感技术。

ToF 技术后劲十足，渗透率将超越结构光

未来主流的 3D 传感器技术中，究竟谁有机会拿下多数市场份额？已有调研机构指出，在安卓手机厂商的开案中， ToF 技术的渗透率将会大幅超越结构光技术。

在此 3D 传感应用即将大爆发的关键时刻，台积电与 Artilux 催生的新技术挟持四大优势：极具竞争力的价格、高精准度的深度感知能力、阻隔阳光干扰、对人眼更为安全的优势，在百家争鸣的 3D 传感技术市场中将是一枚震撼弹。

Artilux 首席执行官陈书履表示，公司的宗旨是藉由持续地扩展先进光子学的知识疆界，赋予“感知”及“连结”两大重点领域新的契机，并提供未来人工智能发展及重大技术突破的基础。

根据 Artilux 规划，已在台积电投片的独家 3D 传感器产品即将在 2020 年量产，这代表全球第一款采用 GeSi 技术平台的宽频 3D ToF 深度感测器也即将面世。

锁定的应用领域包括短距离的 3D 脸部辨识、室内和室外的深度辨识，中长距离的无人车、机器视觉、扩增实境、即时监控等。

台积电已经携手无数家的 IC 芯片设计公司，创造许多成功的典范，更不断改写“创新”的历史与意义。

眼前，3D 传感技术代表的“感知”及“连结”正是未来科技趋势的最佳诠释，Artilux 的独家技术横空出世，加上台积电的技术加持，预计将推动 3D 传感技术走向千家万户，于各种应用场景中盛开。