ToF相機(jī)

最近，ToF相機(jī)已經(jīng)成為很多旗艦智能手機(jī)不可或缺的一部分。它是如何工作的？有哪些技術(shù)優(yōu)勢？最適合哪些應(yīng)用？市場上又有哪些產(chǎn)品可供選擇呢？帶著這些問題，今天我們就來一起探究一下。

什么是ToF？

在回答上述問題之前，我們先來回顧一下大家非常熟悉的聲納探測器。根據(jù)百度百科的描述，聲納探測器是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通信任務(wù)的電子設(shè)備。它主要利用水中聲波對水下的目標(biāo)進(jìn)行探測、定位和通信。

ToF是飛行時(shí)間（Time of Flight）的縮寫，ToF傳感器的工作原理與聲納探測非常相似，它是通過測量光從物體上反射所需的時(shí)間來進(jìn)行物體的定位和通信。ToF傳感器采用的是紅外光，當(dāng)光從物體上反射回傳感器后，根據(jù)光的發(fā)射與反射的時(shí)間差，就可以計(jì)算出傳感器與測量物體之間的距離。很多時(shí)候，ToF傳感器也被稱為“深度相機(jī)”（depth camera）或者ToF相機(jī)。

ToF傳感器本身由兩部分組成：第一部分是發(fā)射紅外光的二極管，第二部分是特殊的光敏矩陣。傳感器測量從物體反射回來的時(shí)間可以精確到納秒級(jí)。此外，ToF傳感器還有一個(gè)重要特性使其成為一個(gè)3D傳感器。

那是因?yàn)門oF傳感器不僅可以準(zhǔn)確計(jì)算單個(gè)物體與傳感器的距離，利用激光返回時(shí)間和波長的差異，還能對目標(biāo)進(jìn)行精確的數(shù)字三維（3D）表征，并直觀地繪制出目標(biāo)的各個(gè)特征，為我們提供一個(gè)三3D圖像。

現(xiàn)在，ToF傳感器已經(jīng)出現(xiàn)在許多高端智能手機(jī)中，如三星、華為、OPPO RX17 Pro、Honor等。在自動(dòng)駕駛汽車甚至美國宇航局建造的太空探測器中，都使用了ToF傳感器。

ToF技術(shù)的優(yōu)勢和不足

任何一項(xiàng)技術(shù)都會(huì)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，當(dāng)然也會(huì)存在一些不足，ToF同樣不會(huì)例外。下面我們先來看一下ToF的優(yōu)點(diǎn)。

低功耗：ToF技術(shù)僅使用一個(gè)紅外光光源就可以直接測量每個(gè)像素中的深度和幅度信息。也就是說，在一個(gè)實(shí)際場景中，通過發(fā)射光和接收光之間測量到的相位差以及幅度值可以得到高度可靠的距離信息以及完整場景的灰度圖像。

在這個(gè)過程中，ToF可以將功耗保持在很低的水平，并能提供用于實(shí)時(shí)操作的快速數(shù)據(jù)采集。此外，ToF所需的深度數(shù)據(jù)處理比結(jié)構(gòu)光或立體視覺等其它算法密集型深度感測技術(shù)要求低，因此在應(yīng)用處理器上還可以節(jié)省額外的功率。

小尺寸：ToF技術(shù)的固有優(yōu)勢在于其攝像頭模塊簡單而穩(wěn)健，它僅由兩個(gè)關(guān)鍵部件組成：成像器和單個(gè)閃光照明組件。因此，它的攝像頭模塊非常小，適用于空間要求苛刻的應(yīng)用，比如智能手機(jī)，可輕松實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的批量生產(chǎn)。

精確快速的測量：與超聲波或激光等其他距離傳感器相比，ToF傳感器能夠快速合成場景的3D圖像。不僅如此，ToF傳感器還能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地探測到物體，并且不受濕度、氣壓和溫度的影響。

遠(yuǎn)距離測量：由于ToF傳感器使用的是激光，它們能夠以極高的精度測量較遠(yuǎn)的距離。因此，ToF傳感器能夠靈活地檢測到各種形狀和大小的遠(yuǎn)近物體。

安全性高：可能很多人會(huì)擔(dān)心ToF傳感器發(fā)出的激光會(huì)傷害到眼睛。其實(shí)大可不必?fù)?dān)心，因?yàn)樵S多ToF傳感器都采用低功率紅外激光，達(dá)到了1級(jí)激光安全標(biāo)準(zhǔn)。

成本效益高：與其他三維深度范圍掃描技術(shù)（如結(jié)構(gòu)光相機(jī)系統(tǒng)或激光測距儀）相比，ToF傳感器相對要便宜得多。

盡管ToF有很多好處，但它也有其技術(shù)局限性。具體包括：

散射光帶來的偽影：如果被測物體表面特別明亮且非常靠近ToF傳感器，它們會(huì)將太多的光散射到接收器中，并產(chǎn)生偽影和不必要的反射。

多次反射帶來測量的不確定性：當(dāng)在拐角和凹面上使用ToF傳感器時(shí)，光線可能會(huì)被多次反射，這些不必要的反射將給測量帶來很大的不確定性。

環(huán)境光對測量帶來不利影響：當(dāng)在陽光明媚的戶外使用ToF傳感器時(shí)，高強(qiáng)度的陽光會(huì)導(dǎo)致傳感器像素的快速飽和，從而無法檢測到物體反射的實(shí)際光。

ToF與LiDar的對比

我們這里討論談?wù)摰腡oF屬于光學(xué)測距，其實(shí)在這一領(lǐng)域還有一個(gè)重要產(chǎn)品——激光雷達(dá)（LiDar）。雖然都是使用光進(jìn)行距離測定和三維測繪，ToF與LiDar到底有何不同？

激光雷達(dá)（LiDar）是激光探測和測距的縮寫，這項(xiàng)技術(shù)使用一個(gè)激光器作為光源。雖然激光雷達(dá)對移動(dòng)設(shè)備來說可能是新技術(shù)，但這項(xiàng)技術(shù)本身已經(jīng)存在相當(dāng)長的一段時(shí)間了。在非移動(dòng)環(huán)境中，激光雷達(dá)被用于繪制水下環(huán)境圖和發(fā)現(xiàn)考古遺址等工作。

從技術(shù)上講，LiDar和ToF傳感器的最主要區(qū)別在于：LiDar使用光脈沖來測量飛行時(shí)間，ToF傳感器則利用連續(xù)波從反射和相移得到飛行時(shí)間。與LiDar相比，ToF需要較少的專用設(shè)備，因此可以與更小、更便宜的設(shè)備一起使用。

嚴(yán)格地說，LiDar激光雷達(dá)比ToF的測量速度更快且更加精確，這在技術(shù)更先進(jìn)的應(yīng)用中是非常重要的。隨著技術(shù)的不斷拓展，ToF與LiDar的協(xié)同應(yīng)用越來越多。

ToF傳感器的主要應(yīng)用

作為一款能夠精確測量“深度”信息的傳感器，ToF傳感器的主要應(yīng)用包括：

1 智能手機(jī)等消費(fèi)電子

自2015年ToF傳感器首次應(yīng)用在iPhone X前置攝像頭方案中，就迅速掀起了其在手機(jī)中應(yīng)用的熱潮，之后其廣泛應(yīng)用于手機(jī)的前置感測和后置輔助對焦等應(yīng)用場景，僅在手機(jī)上年出貨量就超億顆，應(yīng)用手機(jī)超過200款。

ToF與結(jié)構(gòu)光、雙目視覺技術(shù)（Stereo Vision）共同組成了當(dāng)前3D攝像頭的三條主流技術(shù)路線。預(yù)計(jì)到2024年，應(yīng)用于智能手機(jī)的后置3D攝像頭市場規(guī)模將增長到每年5億多顆。

STMicroelectronics（ST）三合一智能光學(xué)模塊VL6180X是較早用于智能手機(jī)中的ToF產(chǎn)品，該芯片整合了接近傳感器、環(huán)境光傳感器以及VCSEL光源。接下來的5年里，ST陸續(xù)推出了VL6180X、VL53L0、VL53L1、VL53L3、VL53L5等四代ToF產(chǎn)品。

除手機(jī)外，ToF傳感器還廣泛應(yīng)用在掃地機(jī)避障、投影儀輔助對焦、相機(jī)輔助對焦、智能燈具、智能衛(wèi)浴如自動(dòng)水龍頭、自動(dòng)皂液器、智能馬桶、機(jī)器人、無人機(jī)等許多領(lǐng)域。

2 AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）

在AR/VR耳機(jī)中，ToF 3D相機(jī)能生成實(shí)時(shí)3D點(diǎn)云，使AR/VR軟件能夠更好地識(shí)別場景中任何感興趣對象的周圍環(huán)境。這種增強(qiáng)的功能允許更高精度的DSLR質(zhì)量圖像效果用于對象定位，并促進(jìn)場景的虛擬和實(shí)際元素之間更復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的交互。

另一方面，該系統(tǒng)具有檢測玩家動(dòng)作的能力，不需要使用人機(jī)界面（HMI），就可以讓游戲通過手勢與虛擬元素進(jìn)行密集的交互。

Infineon（英飛凌）攜手pmd最新推出的REAL3 ToF圖像傳感器芯片，微小的芯片被可以集成到小型化的攝像頭模組中，為AR應(yīng)用提供各種距離的精確深度測量，同時(shí)為圖像傳感器節(jié)省40%以上的功耗。

這款REAL3 ToF傳感器能夠在各種距離、光照條件和使用場景下實(shí)現(xiàn)差異化的攝像頭性能，同時(shí)為移動(dòng)設(shè)備延長電池的使用壽命。此外，REAL3 ToF傳感器還可以實(shí)現(xiàn)更平滑更具沉浸感的AR體驗(yàn)，提供高質(zhì)量的深度數(shù)據(jù)捕捉，最遠(yuǎn)可達(dá)10米，且在短距離內(nèi)不會(huì)丟失分辨率。

3 工業(yè)機(jī)器人

借助于環(huán)境的實(shí)時(shí)三維深度圖，機(jī)器人能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別物體及其移動(dòng)范圍。通過手勢識(shí)別，機(jī)器人可以在協(xié)同應(yīng)用中直接與人交互。在工業(yè)應(yīng)用中，采用3D-ToF相機(jī)的機(jī)器人能更精確地對任何產(chǎn)品進(jìn)行三維測量，并能高精度地抓取和放置產(chǎn)品。

ST不久前發(fā)布的VL53L5產(chǎn)品，是第一款能夠監(jiān)測64個(gè)不同區(qū)域的ToF傳感器。它與VL53L1X相似，都具有相同的量程，并采用了940nm VCSEL。不過，VL53L5尺寸稍大一些，為6.4mm x 3mm x 1.5mm。但視野范圍擴(kuò)大到61o（水平和垂直方向43o），而不是上一代的27o。

VL53L1X是2018年推出的ToF傳感器，可達(dá)到4米測距范圍，是當(dāng)時(shí)市面上最小的ToF傳感器。相比2016年推出的VL53L0X測距范圍增加一倍。VL53LX的封裝尺寸為4.9mm x 2.5mm x 1.56mm，而VL53L0X的尺寸為4.4mm x 2.4mm x 1.0mm。

ST已經(jīng)決定同時(shí)保留這兩種器件，以幫助設(shè)計(jì)師為產(chǎn)品選擇最合適的組件，那些不需要額外距離的人可以從更小、更實(shí)惠的解決方案中獲益，而確實(shí)需要更高性能的工程師可基于此前的開發(fā)方案，選擇新一代更強(qiáng)功能的ToF傳感器。

4 汽車

3D ToF相機(jī)在下一代汽車中具有巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)有助于車輛實(shí)時(shí)獲得良好的環(huán)境感知，實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)和避障，這也是自主駕駛不可或缺的能力。3D ToF還可以用來監(jiān)控駕駛員和乘客的狀態(tài)，并在緊急情況下接管車輛的控制。3D ToF相機(jī)的手勢檢測可用于設(shè)置室內(nèi)氣候控制或切換到來電。

ADI公司開發(fā)的ToF模塊結(jié)合影像傳感器和VGA ToF傳感器模塊與內(nèi)建圖像處理器方案，比傳統(tǒng)音波檢測具備更佳的檢測角度，也更能準(zhǔn)確測量物體跟汽車的距離。因此可為汽車倒車系統(tǒng)、開門防護(hù)系統(tǒng)、停車輔助系統(tǒng)及盲點(diǎn)偵測等應(yīng)用提供更大范圍的碰撞偵測預(yù)防。

作為ToF方案的核心器件之一，ADI的ToF前端芯片ADDI903x系列支持CCD紅外光ToF傳感器，分辨率可達(dá)640 x 480。ADDI903x可將影像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并提供高精確度的脈波時(shí)間控制器，閉回路設(shè)計(jì)，讓激光二極管控制的脈波寬度更準(zhǔn)確，進(jìn)而可以得到更精準(zhǔn)的深度數(shù)據(jù)。

5 安全和監(jiān)視

3D ToF相機(jī)能提供實(shí)際場景中物體的高分辨率3D深度映射。與傳統(tǒng)的2D成像相比，這是一個(gè)顯著的優(yōu)勢，因?yàn)樗峁┝烁叨鹊目尚哦龋梢愿鶕?jù)精確的位置對人和物體進(jìn)行分類。

ams擁有全球最小的集成式1D ToF距離測量和接近傳感模塊。這款傳感器非常適合實(shí)施存在監(jiān)測，例如，當(dāng)用戶臉部位于識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，即可觸發(fā)人臉識(shí)別系統(tǒng)操作。最新款TMF8701傳感器采用2.2mm x 3.6mm x 1.0mm封裝，有助于智能手機(jī)制造商實(shí)現(xiàn)具有高顯示屏占比的寬屏手機(jī)設(shè)計(jì)。

TMF8701集成了VCSEL紅外發(fā)射器、多個(gè)SPAD（單光子雪崩光電二極管）光探測器、時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和直方圖處理內(nèi)核。設(shè)備在芯片上實(shí)現(xiàn)基于直方圖的全占位監(jiān)測、距離測量和接近傳感算法。

TMF8701獨(dú)立識(shí)別顯示屏上的指紋污染以及蓋玻片范圍以外物體（例如用戶臉部）的光反射，即使在傳感器孔徑臟污時(shí)，也能保持可靠性能。在正常照明條件下測量距離為20~60cm范圍時(shí)，模塊實(shí)現(xiàn)了±5%準(zhǔn)確度。即使在明亮太陽光（100klux）下，也可以在高達(dá)35cm的范圍內(nèi)保持±5%準(zhǔn)確度。

結(jié)語

有一點(diǎn)是肯定的，ToF有很大的市場潛力。根據(jù)Yole的預(yù)測，包括ToF技術(shù)在內(nèi)的全球3D成像與傳感市場，將以20%的年均復(fù)合成長率從2019年的50億美元成長至2025年的150億美元。其中，攝像頭后置3D成像應(yīng)用將超過前置，市場滲透率將在2025年接近42%。

事實(shí)上，智能手機(jī)可以成為一個(gè)超精密的距離測量設(shè)備或夜視儀，這也意味著人們再也不愿購買沒有ToF傳感器的手機(jī)了。雖然我們處在剛剛起步階段，未來，隨著ToF傳感器技術(shù)及多點(diǎn)測距的進(jìn)一步發(fā)展，它將會(huì)被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

編輯：jq