3D ToF開(kāi)啟未來(lái)AR之路，iPhone12 Pro和華為Mate40為何都選它？

（電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道 文/章鷹）11月，蘋(píng)果iPhone12 5G系列的全球發(fā)布，華為Mate40的全球發(fā)布，都給5G手機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)了新的風(fēng)向標(biāo)。據(jù)DigiTimes最新報(bào)道，用戶對(duì)iPhone12 Pro的需求強(qiáng)勁，由于對(duì)iPhone 12 Pro的需求強(qiáng)勁，蘋(píng)果準(zhǔn)備增加對(duì)基于 ToF 的 LiDAR 掃描儀的 VCSEL芯片的訂單。而在中國(guó)和海外發(fā)布的華為Mate40 Pro及以上版本型號(hào)擁有支付級(jí)別的3D ToF人臉識(shí)別操作。

圖：iPhone12 Pro

圖：華為Mate40 Pro

美國(guó)MarketsandMarkets最新報(bào)告預(yù)測(cè)，ToF傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2020年的28億美元增長(zhǎng)到2025年的69億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為20%。市場(chǎng)增長(zhǎng)主要源自汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)ToF傳感器需求的增長(zhǎng)，智能手機(jī)中3D攝像頭的日益普及，以及高端智能手機(jī)的銷量增長(zhǎng)。

圖：2020年-2025年ToF傳感器增長(zhǎng)趨勢(shì)圖

此外，3D機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在航空航天、國(guó)防、消費(fèi)電子、醫(yī)療保健以及工業(yè)4.0等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣，也為T(mén)oF傳感器的市場(chǎng)增長(zhǎng)提供了重大機(jī)遇。

圖：2017年~2025年按地區(qū)細(xì)分的ToF傳感器市場(chǎng)預(yù)測(cè)

報(bào)告還特別指出，由于快速的工業(yè)化和增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期內(nèi)，亞太地區(qū)的ToF傳感器市場(chǎng)將以最高的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。相信作為手機(jī)銷量和制造大國(guó)的中國(guó)市場(chǎng)，正是這個(gè)風(fēng)潮的引領(lǐng)者，蘋(píng)果新5G手機(jī)iPhone12 Pro和華為Mate40 Pro的預(yù)定火爆，正是新技術(shù)推廣的最佳時(shí)機(jī)。

ToF技術(shù)的走向如何？海外和中國(guó)主要ToF傳感器廠商推出了哪些新品方案？ToF技術(shù)落地還存在哪些挑戰(zhàn)？兆易創(chuàng)新傳感器事業(yè)部ToF市場(chǎng)總監(jiān)劉浩雷、艾邁斯半導(dǎo)體應(yīng)用工程師經(jīng)理李銘豪，還有英飛凌都帶來(lái)了最新的ToF傳感器市場(chǎng)前瞻和技術(shù)方案。

ToF技術(shù)走向和應(yīng)用熱點(diǎn)

TOF 是Time of flight 的簡(jiǎn)寫(xiě)，直譯為飛行時(shí)間的意思。所謂飛行時(shí)間法 3D 成像，是通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。

ToF技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中演化為兩種不同的分支，分別為間接式indirect ToF (iToF)和直接式direct ToF (dToF)，主要的區(qū)別是對(duì)飛行時(shí)間測(cè)量方式的不同。

兆易創(chuàng)新傳感器事業(yè)部ToF市場(chǎng)總監(jiān)劉浩雷對(duì)記者表示：“iToF和dToF本身是技術(shù)特點(diǎn)，一段時(shí)間內(nèi)iToF和dToF會(huì)并行。以手機(jī)為例，iToF的分辨率比較高，但其在近距離（10米以內(nèi)）精度相對(duì)較高，適合短距離的應(yīng)用，適合前攝，人臉解鎖和支付。dToF的優(yōu)點(diǎn)適用于距離、測(cè)量精度在工作范圍內(nèi)相對(duì)固定。它適合遠(yuǎn)距離場(chǎng)景。dToF分辨率需要提升，工藝、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度、成本都有很大的提升空間?！?br />
“ToF在手機(jī)設(shè)備和消費(fèi)領(lǐng)域上都已經(jīng)逐漸普及，目前的技術(shù)主要在基于iToF（相位式-飛行時(shí)間）而非基于光原子實(shí)際飛行時(shí)間的計(jì)算。iPad Pro，iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max都相繼采用了3D dToF功能，而且都放置在后置攝像頭。這主要是后置所要面對(duì)的世界更遼闊且距離也更遠(yuǎn)。在遠(yuǎn)距離應(yīng)用中，dToF的性能較iToF有特有的優(yōu)勢(shì)例如多面反射干擾，全程同精準(zhǔn)度等。在智能應(yīng)用場(chǎng)景如河圖下，dToF就能讓?xiě)?yīng)用帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)和穩(wěn)定性?！?艾邁斯半導(dǎo)體傳感器負(fù)責(zé)人分析說(shuō)。

他還指出，dToF的技術(shù)比iToF的技術(shù)有較好的精準(zhǔn)度，高幀率和更小的功耗。目前dToF整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)于所有領(lǐng)域都是比較新穎的產(chǎn)品，而其供應(yīng)鏈目前還不完整。這將為整個(gè)傳感器行業(yè)帶來(lái)新的商機(jī)，尤其是關(guān)鍵的系統(tǒng)整合能力算法商和接收芯片（單光子雪崩二極管，SPAD）供應(yīng)商。由于dToF功能已經(jīng)推出，短時(shí)間內(nèi)整合dToF供應(yīng)鏈將會(huì)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

“ToF有很多種應(yīng)用。比如智能手機(jī)需求增長(zhǎng)，刺激了ToF傳感器需求，3D ToF在智能手機(jī)上給用戶提供拍攝和圖像品質(zhì)上的提升，未來(lái)不僅如此，在AR的人機(jī)交互體驗(yàn)上，3D ToF有更多的發(fā)展空間。AR將會(huì)是之后推動(dòng)3D ToF的重要一環(huán)。又比如門(mén)禁系統(tǒng)，這是非常大的應(yīng)用。掃地機(jī)器人，這方面有很多應(yīng)用。” 艾邁斯半導(dǎo)體應(yīng)用工程師經(jīng)理李銘豪對(duì)記者表示。最新消息，小米最新推出的米家掃拖機(jī)器人1T支持的VSLAM+TOF成為其他廠商關(guān)注的焦點(diǎn)，VSLAM+TOF技術(shù)的密切配合，極大提升掃地機(jī)器人的定位精準(zhǔn)性。

三家廠商ToF技術(shù)方案各有側(cè)重

ams的dToF方案

ams作為目前業(yè)內(nèi)唯一擁有3D傳感三種主流全技術(shù)（結(jié)構(gòu)光、雙目立體視覺(jué)和飛行時(shí)間ToF）的傳感器廠商，在一年前推出了全球體積最小的dToF模塊。

ams推出的TMF8xxx系列，主打兩款為成熟的TMF8701和2019年底發(fā)布的升級(jí)版TMF8801，基于ams專有的單光子雪崩二極管（SPAD）像素設(shè)計(jì)和具有極窄脈寬的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC)，可實(shí)時(shí)測(cè)量光子的直接飛行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)確定物體的距離。

TMF8701有兩種工作模式：0-10cm 接近/遠(yuǎn)離檢測(cè)，可用于啟動(dòng)顯示屏傳感器和關(guān)閉人臉識(shí)別系統(tǒng)；10-60cm準(zhǔn)確距離測(cè)量，可用于觸發(fā)更高功耗的人臉識(shí)別系統(tǒng)。TMF8701能夠以低功率運(yùn)行，在以10Hz頻率采樣時(shí)，接近傳感模塊耗能僅為940μA，非常適合保持常開(kāi)，作為智能手機(jī)臉部識(shí)別系統(tǒng)的喚醒器件。相形之下，TMF8801的提升主要在于工作距離的擴(kuò)展，可遠(yuǎn)至2.5m。

在蘋(píng)果將dToF用于輔助自動(dòng)對(duì)焦、不同光照下物體精準(zhǔn)探測(cè)、用于提升AR/VR應(yīng)用體驗(yàn)之前，在智能手機(jī)中，1D ToF主要用于前置3D傳感面部識(shí)別系統(tǒng)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，集成1D ToF的3D識(shí)別系統(tǒng)，1次解鎖流程可節(jié)能超70%。更需留意的是，未集成1D ToF的3D識(shí)別系統(tǒng)有效工作距離更窄，由正常的20-60cm縮減為25-40cm，用戶體驗(yàn)不好。

兆易創(chuàng)新的ToF方案

2019年，兆易創(chuàng)新通過(guò)并購(gòu)思立微成功進(jìn)入傳感器領(lǐng)域，進(jìn)一步開(kāi)拓業(yè)務(wù)領(lǐng)域。在目前較火熱的3D ToF技術(shù)方面，兆易創(chuàng)新推出了第一顆鍺硅工藝的ToF芯片GSLT9001（VGA分辨率）。兆易創(chuàng)新傳感器事業(yè)部ToF市場(chǎng)總監(jiān)劉浩雷對(duì)記者表示，該ToF芯片采用鍺硅工藝，可以支持1350nm和1550nm長(zhǎng)波段以及940波段，而1350nm和1550nm波段在戶外的性能出色。

兆易創(chuàng)新的ToF解決方案采用了特殊工藝，有更高的QE（光電轉(zhuǎn)換率），可以有效降低功耗和系統(tǒng)成本，并且能夠同時(shí)支持1350nm-1550nm長(zhǎng)波段和940nm波段，在戶外具有非常出色的性能，符合未來(lái)屏下方向需求。另外，由于它的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，使得能量更弱，對(duì)于人眼的安全性也更有保障。

英飛凌攜手pmd推出超長(zhǎng)測(cè)量距離的3D圖像感傳感器

近期，英飛凌和pmd發(fā)布了一種基于飛行時(shí)間技術(shù)的全新3D深度傳感器。這款命名為REAL3的ToF傳感器可以集成到小型化的攝像頭模塊中，并在短距離和長(zhǎng)距離精確測(cè)量AR的深度。它同時(shí)能夠滿足低功耗要求，可幫助成像儀節(jié)省40%以上的功耗。

REAL3 ToF傳感器擁有靈活的可配置性，可在各種距離、光源條件和使用情況下展現(xiàn)出色的相機(jī)效能，同時(shí)延長(zhǎng)移動(dòng)裝置的電池使用壽命。新型傳感器提供了諸如實(shí)時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)距掃描、小物體重建、快速低功耗自動(dòng)對(duì)焦和圖像分割等技術(shù)，適用于各種應(yīng)用。該芯片預(yù)計(jì)2021年第二季度量產(chǎn)。

英飛凌資深副總裁 Philipp von Schierstaedt 表示：“英飛凌和pmd technologies最新推出的 3D圖像傳感器可實(shí)現(xiàn)新一代應(yīng)用。其目標(biāo)是打造最具沉浸式且智慧的AR體驗(yàn)，以及在低光源條件下通過(guò)加快自動(dòng)對(duì)焦速度，或運(yùn)用圖像分割技術(shù)(picture segmentation)拍出更漂亮的夜間人像照，以提升拍照效果。此新款芯片的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了以最低功耗達(dá)到前所未有的10米測(cè)量距離，為圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)器和處理能力提升立下了新的標(biāo)桿?！?/p>

小結(jié)：

智能性，可靠性，低功耗，低成本和高集成度是將ToF技術(shù)集成到消費(fèi)電子產(chǎn)品（例如計(jì)算機(jī)，電視，游戲機(jī)，相機(jī)，便攜式攝像機(jī)和智能手機(jī)）中的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)這些設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，創(chuàng)造了對(duì)ToF傳感器的需求，這反過(guò)來(lái)又將推動(dòng)ToF技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

艾邁斯半導(dǎo)體、兆易創(chuàng)新、TI、英飛凌、三星、索尼紛紛推出3D ToF傳感器產(chǎn)品，相信未來(lái)隨著智能手機(jī)、平板電腦、掃地機(jī)器人大規(guī)模使用ToF傳感器后，會(huì)給消費(fèi)者帶來(lái)更好的產(chǎn)品體驗(yàn)。