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(shì)？最適合哪些應(yīng)用？市場(chǎng)上又有哪些產(chǎn)品可供選擇呢？帶著這些問(wèn)題，今天我們就來(lái)一起探究一下。

什么是ToF？

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

ToF是飛行時(shí)間（Time of Flight）的縮寫(xiě)，ToF傳感器的工作原理與聲納探測(cè)非常相似，它是通過(guò)測(cè)量光從物體上反射所需的時(shí)間來(lái)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(cè)量物體之間的距離。很多時(shí)候，ToF傳感器也被稱(chēng)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(cè)量從物體反射回來(lái)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(mén)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(zhǎng)的差異，還能對(duì)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(chē)甚至美國(guó)宇航局建造的太空探測(cè)器中，都使用了ToF傳感器。

ToF技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足

任何一項(xiàng)技術(shù)都會(huì)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(lái)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(cè)量每個(gè)像素中的深度和幅度信息。也就是說(shuō)，在一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景中，通過(guò)發(fā)射光和接收光之間測(cè)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(chǎng)景的灰度圖像。

在這個(gè)過(guò)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(jué)等其它算法密集型深度感測(cè)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(shì)在于其攝像頭模塊簡(jiǎn)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(cè)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(chǎng)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(cè)到物體，并且不受濕度、氣壓和溫度的影響。

遠(yuǎn)距離測(cè)量：由于ToF傳感器使用的是激光，它們能夠以極高的精度測(cè)量較遠(yuǎn)的距離。因此，ToF傳感器能夠靈活地檢測(cè)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(cè)距儀）相比，ToF傳感器相對(duì)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(lái)的偽影：如果被測(cè)物體表面特別明亮且非?？拷黅oF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(lái)測(cè)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(cè)量帶來(lái)很大的不確定性。

環(huán)境光對(duì)測(cè)量帶來(lái)不利影響：當(dāng)在陽(yáng)光明媚的戶(hù)外使用ToF傳感器時(shí)，高強(qiáng)度的陽(yáng)光會(huì)導(dǎo)致傳感器像素的快速飽和，從而無(wú)法檢測(cè)到物體反射的實(shí)際光。

ToF與LiDar的對(duì)比

我們這里討論談?wù)摰腡oF屬于光學(xué)測(cè)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(cè)定和三維測(cè)繪，ToF與LiDar到底有何不同？

激光雷達(dá)（LiDar）是激光探測(cè)和測(cè)距的縮寫(xiě)，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(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)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(zhǎng)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(lái)測(cè)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(zhuān)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(shuō)，LiDar激光雷達(dá)比ToF的測(cè)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(lái)越多。

ToF傳感器的主要應(yīng)用

作為一款能夠精確測(cè)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(cè)和后置輔助對(duì)焦等應(yīng)用場(chǎng)景，僅在手機(jī)上年出貨量就超億顆，應(yīng)用手機(jī)超過(guò)200款。

ToF與結(jié)構(gòu)光、雙目視覺(jué)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(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)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(lái)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(duì)焦、相機(jī)輔助對(duì)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(wú)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(chǎng)景中任何感興趣對(duì)象的周?chē)h(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(duì)象定位，并促進(jìn)場(chǎng)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(cè)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(guò)手勢(shì)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(cè)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(chǎng)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(zhǎng)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(guò)手勢(shì)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(duì)任何產(chǎn)品進(jìn)行三維測(cè)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(cè)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(guò)，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(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)方案，選擇新一代更強(qiáng)功能的ToF傳感器。

4 汽車(chē)

3D ToF相機(jī)在下一代汽車(chē)中具有巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)有助于車(chē)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(lái)監(jiān)控駕駛員和乘客的狀態(tài)，并在緊急情況下接管車(chē)輛的控制。3D ToF相機(jī)的手勢(shì)檢測(cè)可用于設(shè)置室內(nèi)氣候控制或切換到來(lái)電。

ADI公司開(kāi)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(cè)具備更佳的檢測(cè)角度，也更能準(zhǔn)確測(cè)量物體跟汽車(chē)的距離。因此可為汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)、開(kāi)門(mén)防護(hù)系統(tǒng)、停車(chē)輔助系統(tǒng)及盲點(diǎn)偵測(cè)等應(yīng)用提供更大范圍的碰撞偵測(cè)預(yù)防。

作為T(mén)oF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(chǎng)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(shì)，因?yàn)樗峁┝烁叨鹊目尚哦龋梢愿鶕?jù)精確的位置對(duì)人和物體進(jìn)行分類(lèi)。

ams擁有全球最小的集成式1D ToF距離測(cè)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(cè)，例如，當(dāng)用戶(hù)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(cè)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(cè)、距離測(cè)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(hù)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(cè)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(yáng)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(yǔ)

有一點(diǎn)是肯定的，ToF有很大的市場(chǎng)潛力。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，包括ToF技術(shù)在內(nèi)的全球3D成像與傳感市場(chǎng)，將以20%的年均復(fù)合成長(zhǎng)率從2019年的50億美元成長(zhǎng)至2025年的150億美元。其中，攝像頭后置3D成像應(yīng)用將超過(guò)前置，市場(chǎng)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(cè)量設(shè)備或夜視儀，這也意味著人們?cè)僖膊辉纲?gòu)買(mǎi)沒(méi)有ToF傳感器的手機(jī)了。雖然我們處在剛剛起步階段，未來(lái)，隨著ToF傳感器技術(shù)及多點(diǎn)測(cè)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