ToF技术的分岔路，是堆像素还是顾精度？

2021-12-19

如今智能手机市场在摄像头方面的竞争仍处于白热化，除了摄像头、像素之争外，ToF摄像头的出场率也开始逐步提升。我们能接触到的ToF传感器只有手机摄像头这一种应用吗？各家的ToF方案又有何异同呢？
ToF作为三大主动式光学深度传感技术之一，另外两种分别是结构光和干涉测量。该技术主要用于中远距离的传感应用，我们也已经在汽车激光雷达中看到ToF的普及。据Markets and Markets最新报告显示，全球ToF传感器市场规模预计从2020年的28亿美元增长至2025年的69亿美元，复合年增长率将达到20% 。
据市场调研公司Tech Systems Research的调查报告表示，全球ToF传感器去年的出货量在4700万左右，而这一数字将在今年增至1亿5500万，2021年预计达到2亿5500万。这其中最大的市场增长来源于自动驾驶/辅助驾驶对ToF传感器的需求增长，以及智能手机中3D ToF摄像头的日益普及，同时3D机器视觉系统在各行各业中的采用率提高，加之工业4.0的部署、国防与航空技术的发展，ToF传感器市场将在未来几年收获更大的机遇。

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不同测距技术对比 / 电子发烧友网整理
在测距上，ToF与传统的超声波、红外三角测量、激光相比有着不小优势。不仅支持高读取频率和远距离测量，同样可以确保眼部保护以及多个传感器的混用，更重要的是不受环境光的影响。

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dToF原理图
ToF摄像头是利用ToF测距法实现范围成像的产物，通过发射激光脉冲来测量物体与镜头间的距离。ToF技术本身也分为两种，一种是直接测量飞行时间的dToF，另一种是测量相位偏移的iToF，而后者还可以分为pToF（脉冲ToF）和cwToF（连续波ToF）等方法。

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iToF原理图
与dToF相比，iToF系统集成难度低，但其精度也随之降低，并会随着距离增加持续降低。因此出于对测量距离与精度的要求，往往车载激光雷达中更常用dToF技术。

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dToF和iToF对比 / 电子发烧友网整理
传统的ToF摄像模组分为五个部分：发光单元，光学元件，图像传感器，驱动器件与接口。其中发光单元往往会出于可见性的考量而选择红外光。
现在我们对ToF有了一个简要的了解，那么各个厂商又是如何落实自家的ToF方案的呢？
英飞凌（Infineon）

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IRS2381C 3D图像传感器 / Infineon
英飞凌针对ToF图像传感器推出了自己REAL3?传感器，其中IRS2381C是专门针对消费级手机应用所研发的。早在IRS2381C基于高成本效益的标准英飞凌CMOS技术，目前已经入量产阶段。该传感器的高性能像素阵列对940nm红外光高度敏感，因此可以提供难以匹敌的室外表现。最高性能的像素阵列可达到224 x 172像素（38k），微透镜下可实现14μm的像素间距，同时该传感器支持背景光抑制（SBI），在强日光下每个像素都可以做到20倍的动态扩充。在4.4 x 4.8 mm的极小尺寸下，该传感器非常适合AR、计算机摄影、3D扫描重构等后置摄像头应用，也可用于安全的面部识别和自拍等场景。

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IRS1125A 汽车级3D ToF传感器 / Infineon
除了消费级ToF传感器外，英飞凌还推出了针对汽车应用的3D ToF传感器，作为XENSIV?传感器产品线的一份子，同时也是符合车规标准的REAL3?传感器。这款封装为LFBGA-84的ToF传感器CIF分辨率达到352 x 288（约100k像素），还运用了扩频时钟技术（SSC）避免其它红外设备的干扰，并已通过AEC-Q100 grade 2认证。这款汽车ToF传感器更适合车内的应用场景，比如对乘客的舱内感知和驾驶者的手势控制等。
索尼（Sony）
作为全球领先的图像传感器厂商，索尼自然不免要在ToF市场分一杯羹，事实上索尼的ToF产品在各大市场的占有率也是难以撼动的。索尼于2015年收购了比利时厂商Softkinetic，正式进入ToF市场，并在2017年将其改名为索尼深度感知部门。索尼结合ToF技术和自研的背照射CMOS技术推出了DepthSense ToF传感器产品线，应用于手机、汽车、人机交互、机器人、游戏和物联网等市场。

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iPad Pro激光雷达 / Apple
目前Vivo和华为都有部分机型加入了ToF摄像头以提升拍照性能，也都选用了索尼的iToF传感器方案，苹果在iPhone 11产品线上依然在使用结构光技术，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达，并运用了dToF技术，面向未来的增强现实扫描。据了解，苹果很有可能在下半年推出的iPhone 12 Pro Max中使用同样的激光雷达传感器，但苹果会不会采用ToF技术加强拍照效果也未可知。

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Helios2 IP67 ToF 相机 / LUCID
除此之外，索尼的ToF传感器在物料处理和运输领域也有不小的应用前景。加拿大工业视觉相机的设计商与制造商LUCID Vision Labs（以下简称LUCID）在其下一代ToF相机Helios?2中使用了索尼的DepthSense?IMX556PLR背照式ToF图像传感器。该传感器的深度分辨率可达640 x 480，帧率可至60fps，LUCID不仅为其设计了IP67级别的防护，还可以提供亚毫米级的精度。
艾迈斯半导体

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TMF8801 ToF传感器 / ams
艾迈斯的TMF8801是一款dToF的传感器，可以实现最近20mm，最远2500mm的目标探测距离，其测量精度高于5%，也不会碰上iToF的多路干扰和多检测物体的问题。TMF8801通过亚纳秒级别的光脉冲和一种抗混叠的“秒表”方法来测量往返的脉冲时间，从而提供高精度的深度图像精度。
基于其2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的单模块封装，非常适合作为手机镜头，通过激光检测（LDAF）远处物体来实现自动对焦。
迈来芯（Melexis）

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MLX75027 ToF传感器 / Melexis
迈来芯的主要ToF产品线是针对DMS（驾驶员监测）系统的汽车级ToF传感器。尽管自动驾驶技术发展迅猛，在没能真正实现L5级别的自动驾驶之前，对驾驶员的安全监测依然至关重要。迈来芯在近期与瑞士的一家3D眼动跟踪技术公司Eyeware合作，通过迈来芯的ToF传感器来实现可靠的视线与头部跟踪。
迈来芯的MLX75027汽车级VGA ToF传感器不仅提供一套完整的ToF方案，同样具有高达135个距离帧每秒的640x480深度分辨率。该传感器沿用了连续波ToF技术（cwToF），支持850nm和940nm两种波长，并通过了AEC-Q100 grade 2认证。这款传感器的定位是汽车应用，有手势控制、驾驶员监、骨架跟踪、人或障碍检测以及车流量监控等。据了解，迈来芯正在筹划第三代QVGA ToF传感器的推出，为客户提供更多分辨率与集成水平的选择。
炬佑智能（OPNOUS）
上海炬佑智能同样开发出了自己的ToF传感器系列，OPN8001/8008/8018，涵盖了100x100、320x240（QVGA）、640x480（VGA）的分辨率范围，帧率可选10/30/60 FPS，在5米的范围内可以做到1%的精度。炬佑智能在这些ToF传感器上使用了自研的脉冲混合式ToF技术。除ToF传感器之外，炬佑智能还有ISP芯片、模组和系统平台多条ToF产品线。在其产品规划路线图上，炬佑智能计划在今年推出1M分辨率的ToF传感器，并在2021年推出一体式动态易用的4D ToF方案。

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ToF模组 / 炬佑智能
【ToF技术的分岔路，是堆像素还是顾精度？】 炬佑智能同样业界首创了智能校正技术（Smart Correction），对发光系统实现动态可控可调，使ToF性能大幅提高。据了解，这一技术会将ToF发光系统端的多个分离芯片集成到一起，并对ToF进行温度补偿，维持温度变化时传感器的准确度。
目前全球传感器厂商都在争抢ToF市场的蛋糕，三星从去年开始就已经在自家的旗舰机型上安装ToF传感器，意法半导体也推出了自己的FlightSense? ToF传感器产品线，国内也有灵明光子这样的后起之秀。灵明光子声称面向消费电子的dToF单光子成像阵列（SPADIS）也于今年第二季度开始出货，未来随着3D集成的发展，dToF也有望达到iToF的像素水平。
考虑到对成本的控制和制造工艺难度上的原因，在未来的一段时间内iToF的产品依然将占据主流市场，并以达到VGA以上的像素为主。正是因为dToF的复杂程度和成本致使目前市场普及率不高，但在部分追求高精度的应用上依旧无法替代。再者我们已经看到了高度集成的趋势以及该方法的优势，未来dToF势必会逐步走向中端甚至是低端应用，同时兼具ToF的精度和像素。

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