ToF技術(shù)的分岔路，是堆像素還是顧精度？

（電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道 文/周凱揚(yáng)）如今智能手機(jī)市場在攝像頭方面的競爭仍處于白熱化，除了攝像頭、像素之爭外，ToF攝像頭的出場率也開始逐步提升。我們能接觸到的ToF傳感器只有手機(jī)攝像頭這一種應(yīng)用嗎？各家的ToF方案又有何異同呢？

ToF作為三大主動(dòng)式光學(xué)深度傳感技術(shù)之一，另外兩種分別是結(jié)構(gòu)光和干涉測量。該技術(shù)主要用于中遠(yuǎn)距離的傳感應(yīng)用，我們也已經(jīng)在汽車激光雷達(dá)中看到ToF的普及。據(jù)Markets and Markets最新報(bào)告顯示，全球ToF傳感器市場規(guī)模預(yù)計(jì)從2020年的28億美元增長至2025年的69億美元，復(fù)合年增長率將達(dá)到20%。

據(jù)市場調(diào)研公司Tech Systems Research的調(diào)查報(bào)告表示，全球ToF傳感器去年的出貨量在4700萬左右，而這一數(shù)字將在今年增至1億5500萬，2021年預(yù)計(jì)達(dá)到2億5500萬。這其中最大的市場增長來源于自動(dòng)駕駛/輔助駕駛對ToF傳感器的需求增長，以及智能手機(jī)中3D ToF攝像頭的日益普及，同時(shí)3D機(jī)器視覺系統(tǒng)在各行各業(yè)中的采用率提高，加之工業(yè)4.0的部署、國防與航空技術(shù)的發(fā)展，ToF傳感器市場將在未來幾年收獲更大的機(jī)遇。

不同測距技術(shù)對比 / 電子發(fā)燒友網(wǎng)整理

在測距上，ToF與傳統(tǒng)的超聲波、紅外三角測量、激光相比有著不小優(yōu)勢。不僅支持高讀取頻率和遠(yuǎn)距離測量，同樣可以確保眼部保護(hù)以及多個(gè)傳感器的混用，更重要的是不受環(huán)境光的影響。

dToF原理圖

ToF攝像頭是利用ToF測距法實(shí)現(xiàn)范圍成像的產(chǎn)物，通過發(fā)射激光脈沖來測量物體與鏡頭間的距離。ToF技術(shù)本身也分為兩種，一種是直接測量飛行時(shí)間的dToF，另一種是測量相位偏移的iToF，而后者還可以分為pToF（脈沖ToF）和cwToF（連續(xù)波ToF）等方法。

iToF原理圖

與dToF相比，iToF系統(tǒng)集成難度低，但其精度也隨之降低，并會(huì)隨著距離增加持續(xù)降低。因此出于對測量距離與精度的要求，往往車載激光雷達(dá)中更常用dToF技術(shù)。

dToF和iToF對比 / 電子發(fā)燒友網(wǎng)整理

傳統(tǒng)的ToF攝像模組分為五個(gè)部分：發(fā)光單元，光學(xué)元件，圖像傳感器，驅(qū)動(dòng)器件與接口。其中發(fā)光單元往往會(huì)出于可見性的考量而選擇紅外光。

現(xiàn)在我們對ToF有了一個(gè)簡要的了解，那么各個(gè)廠商又是如何落實(shí)自家的ToF方案的呢？

英飛凌（Infineon）

IRS2381C 3D圖像傳感器 / Infineon

英飛凌針對ToF圖像傳感器推出了自己REAL3?傳感器，其中IRS2381C是專門針對消費(fèi)級(jí)手機(jī)應(yīng)用所研發(fā)的。早在IRS2381C基于高成本效益的標(biāo)準(zhǔn)英飛凌CMOS技術(shù)，目前已經(jīng)入量產(chǎn)階段。該傳感器的高性能像素陣列對940nm紅外光高度敏感，因此可以提供難以匹敵的室外表現(xiàn)。最高性能的像素陣列可達(dá)到224 x 172像素（38k），微透鏡下可實(shí)現(xiàn)14μm的像素間距，同時(shí)該傳感器支持背景光抑制（SBI），在強(qiáng)日光下每個(gè)像素都可以做到20倍的動(dòng)態(tài)擴(kuò)充。在4.4 x 4.8 mm的極小尺寸下，該傳感器非常適合AR、計(jì)算機(jī)攝影、3D掃描重構(gòu)等后置攝像頭應(yīng)用，也可用于安全的面部識(shí)別和自拍等場景。

IRS1125A 汽車級(jí)3D ToF傳感器 / Infineon

除了消費(fèi)級(jí)ToF傳感器外，英飛凌還推出了針對汽車應(yīng)用的3D ToF傳感器，作為XENSIV?傳感器產(chǎn)品線的一份子，同時(shí)也是符合車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的REAL3?傳感器。這款封裝為LFBGA-84的ToF傳感器CIF分辨率達(dá)到352 x 288（約100k像素），還運(yùn)用了擴(kuò)頻時(shí)鐘技術(shù)（SSC）避免其它紅外設(shè)備的干擾，并已通過AEC-Q100 grade 2認(rèn)證。這款汽車ToF傳感器更適合車內(nèi)的應(yīng)用場景，比如對乘客的艙內(nèi)感知和駕駛者的手勢控制等。

索尼（Sony）

作為全球領(lǐng)先的圖像傳感器廠商，索尼自然不免要在ToF市場分一杯羹，事實(shí)上索尼的ToF產(chǎn)品在各大市場的占有率也是難以撼動(dòng)的。索尼于2015年收購了比利時(shí)廠商Softkinetic，正式進(jìn)入ToF市場，并在2017年將其改名為索尼深度感知部門。索尼結(jié)合ToF技術(shù)和自研的背照射CMOS技術(shù)推出了DepthSense ToF傳感器產(chǎn)品線，應(yīng)用于手機(jī)、汽車、人機(jī)交互、機(jī)器人、游戲和物聯(lián)網(wǎng)等市場。

iPad Pro激光雷達(dá) / Apple

目前Vivo和華為都有部分機(jī)型加入了ToF攝像頭以提升拍照性能，也都選用了索尼的iToF傳感器方案，蘋果在iPhone 11產(chǎn)品線上依然在使用結(jié)構(gòu)光技術(shù)，但今年上半年推出的新款iPad Pro就用到了索尼定制的激光雷達(dá)，并運(yùn)用了dToF技術(shù)，面向未來的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)掃描。據(jù)了解，蘋果很有可能在下半年推出的iPhone 12 Pro Max中使用同樣的激光雷達(dá)傳感器，但蘋果會(huì)不會(huì)采用ToF技術(shù)加強(qiáng)拍照效果也未可知。

Helios2 IP67 ToF 相機(jī) / LUCID

除此之外，索尼的ToF傳感器在物料處理和運(yùn)輸領(lǐng)域也有不小的應(yīng)用前景。加拿大工業(yè)視覺相機(jī)的設(shè)計(jì)商與制造商LUCID Vision Labs（以下簡稱LUCID）在其下一代ToF相機(jī)Helios?2中使用了索尼的DepthSense?IMX556PLR背照式ToF圖像傳感器。該傳感器的深度分辨率可達(dá)640 x 480，幀率可至60fps，LUCID不僅為其設(shè)計(jì)了IP67級(jí)別的防護(hù)，還可以提供亞毫米級(jí)的精度。

艾邁斯半導(dǎo)體

TMF8801 ToF傳感器 / ams

艾邁斯的TMF8801是一款dToF的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)最近20mm，最遠(yuǎn)2500mm的目標(biāo)探測距離，其測量精度高于5%，也不會(huì)碰上iToF的多路干擾和多檢測物體的問題。TMF8801通過亞納秒級(jí)別的光脈沖和一種抗混疊的“秒表”方法來測量往返的脈沖時(shí)間，從而提供高精度的深度圖像精度。

基于其2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的單模塊封裝，非常適合作為手機(jī)鏡頭，通過激光檢測（LDAF）遠(yuǎn)處物體來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對焦。

邁來芯（Melexis）

MLX75027 ToF傳感器 / Melexis

邁來芯的主要ToF產(chǎn)品線是針對DMS（駕駛員監(jiān)測）系統(tǒng)的汽車級(jí)ToF傳感器。盡管自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展迅猛，在沒能真正實(shí)現(xiàn)L5級(jí)別的自動(dòng)駕駛之前，對駕駛員的安全監(jiān)測依然至關(guān)重要。邁來芯在近期與瑞士的一家3D眼動(dòng)跟蹤技術(shù)公司Eyeware合作，通過邁來芯的ToF傳感器來實(shí)現(xiàn)可靠的視線與頭部跟蹤。

邁來芯的MLX75027汽車級(jí)VGA ToF傳感器不僅提供一套完整的ToF方案，同樣具有高達(dá)135個(gè)距離幀每秒的640x480深度分辨率。該傳感器沿用了連續(xù)波ToF技術(shù)（cwToF），支持850nm和940nm兩種波長，并通過了AEC-Q100 grade 2認(rèn)證。這款傳感器的定位是汽車應(yīng)用，有手勢控制、駕駛員監(jiān)、骨架跟蹤、人或障礙檢測以及車流量監(jiān)控等。據(jù)了解，邁來芯正在籌劃第三代QVGA ToF傳感器的推出，為客戶提供更多分辨率與集成水平的選擇。

炬佑智能（OPNOUS）

上海炬佑智能同樣開發(fā)出了自己的ToF傳感器系列，OPN8001/8008/8018，涵蓋了100x100、320x240（QVGA）、640x480（VGA）的分辨率范圍，幀率可選10/30/60 FPS，在5米的范圍內(nèi)可以做到1%的精度。炬佑智能在這些ToF傳感器上使用了自研的脈沖混合式ToF技術(shù)。除ToF傳感器之外，炬佑智能還有ISP芯片、模組和系統(tǒng)平臺(tái)多條ToF產(chǎn)品線。在其產(chǎn)品規(guī)劃路線圖上，炬佑智能計(jì)劃在今年推出1M分辨率的ToF傳感器，并在2021年推出一體式動(dòng)態(tài)易用的4D ToF方案。

ToF模組 / 炬佑智能

炬佑智能同樣業(yè)界首創(chuàng)了智能校正技術(shù)（Smart Correction），對發(fā)光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可控可調(diào)，使ToF性能大幅提高。據(jù)了解，這一技術(shù)會(huì)將ToF發(fā)光系統(tǒng)端的多個(gè)分離芯片集成到一起，并對ToF進(jìn)行溫度補(bǔ)償，維持溫度變化時(shí)傳感器的準(zhǔn)確度。

目前全球傳感器廠商都在爭搶ToF市場的蛋糕，三星從去年開始就已經(jīng)在自家的旗艦機(jī)型上安裝ToF傳感器，意法半導(dǎo)體也推出了自己的FlightSense? ToF傳感器產(chǎn)品線，國內(nèi)也有靈明光子這樣的后起之秀。靈明光子聲稱面向消費(fèi)電子的dToF單光子成像陣列（SPADIS）也于今年第二季度開始出貨，未來隨著3D集成的發(fā)展，dToF也有望達(dá)到iToF的像素水平。

考慮到對成本的控制和制造工藝難度上的原因，在未來的一段時(shí)間內(nèi)iToF的產(chǎn)品依然將占據(jù)主流市場，并以達(dá)到VGA以上的像素為主。正是因?yàn)閐ToF的復(fù)雜程度和成本致使目前市場普及率不高，但在部分追求高精度的應(yīng)用上依舊無法替代。再者我們已經(jīng)看到了高度集成的趨勢以及該方法的優(yōu)勢，未來dToF勢必會(huì)逐步走向中端甚至是低端應(yīng)用，同時(shí)兼具ToF的精度和像素。

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