3D ToF開啟未來AR之路,iPhone12 Pro和華為Mate40為何都選它?

電子發燒友網報導（文/章鷹）11月，蘋果iPhone12 5G系列的全球發布，華為Mate40的全球發布，都給5G手機市場帶來了新的風向標。據DigiTimes最新報導，用戶對iPhone12 Pro的需求強勁，由於對iPhone 12 Pro的需求強勁，蘋果準備增加對基於 ToF 的 LiDAR 掃描儀的 VCSEL晶片的訂單。而在中國和海外發布的華為Mate40 Pro及以上版本型號擁有支付級別的3D ToF人臉識別操作。

圖：iPhone12 Pro

圖：華為Mate40 Pro

美國MarketsandMarkets最新報告預測，ToF傳感器市場預計將從2020年的28億美元增長到2025年的69億美元，複合年增長率為20%。市場增長主要源自汽車產業對ToF傳感器需求的增長，智慧型手機中3D攝像頭的日益普及，以及高端智慧型手機的銷量增長。

圖：2020年-2025年ToF傳感器增長趨勢圖

此外，3D機器視覺系統在航空航天、國防、消費電子、醫療保健以及工業4.0等領域的應用越來越廣，也為ToF傳感器的市場增長提供了重大機遇。

圖：2017年~2025年按地區細分的ToF傳感器市場預測

報告還特別指出，由於快速的工業化和增長，預計在預測期內，亞太地區的ToF傳感器市場將以最高的複合年增長率增長。相信作為手機銷量和製造大國的中國市場，正是這個風潮的引領者，蘋果新5G手機iPhone12 Pro和華為Mate40 Pro的預定火爆，正是新技術推廣的最佳時機。

ToF技術的走向如何？海外和中國主要ToF傳感器廠商推出了哪些新品方案？ToF技術落地還存在哪些挑戰？兆易創新傳感器事業部ToF市場總監劉浩雷、艾邁斯應用工程師經理李銘豪，還有英飛凌都帶來了最新的ToF傳感器市場前瞻和技術方案。

ToF技術走向和應用熱點

TOF 是Time of flight 的簡寫，直譯為飛行時間的意思。所謂飛行時間法 3D 成像，是通過給目標連續發送光脈衝，然後用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈衝的飛行（往返）時間來得到目標物距離。

ToF技術在發展過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)，主要的區別是對飛行時間測量方式的不同。

兆易創新傳感器事業部ToF市場總監劉浩雷對記者表示：「iToF和dToF本身是技術特點，一段時間內iToF和dToF會並行。以手機為例，iToF的解析度比較高，但其在近距離（10米以內）精度相對較高，適合短距離的應用，適合前攝，人臉解鎖和支付。dToF的優點適用於距離、測量精度在工作範圍內相對固定。它適合遠距離場景。dToF解析度需要提升，工藝、產業鏈成熟度、成本都有很大的提升空間。」

「ToF在手機設備和消費領域上都已經逐漸普及，目前的技術主要在基於iToF（相位式-飛行時間）而非基於光原子實際飛行時間的計算。iPad Pro，iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max都相繼採用了3D dToF功能，而且都放置在後置攝像頭。這主要是後置所要面對的世界更遼闊且距離也更遠。在遠距離應用中，dToF的性能較iToF有特有的優勢例如多面反射幹擾，全程同精準度等。在智能應用場景如河圖下，dToF就能讓應用帶來更好的用戶體驗和穩定性。」 艾邁斯傳感器負責人分析說。

他還指出，dToF的技術比iToF的技術有較好的精準度，高幀率和更小的功耗。目前dToF整個產業鏈對於所有領域都是比較新穎的產品，而其供應鏈目前還不完整。這將為整個傳感器行業帶來新的商機，尤其是關鍵的系統整合能力算法商和接收晶片（單光子雪崩二極體，SPAD）供應商。由於dToF功能已經推出，短時間內整合dToF供應鏈將會是一個極大的挑戰。

「ToF有很多種應用。比如智慧型手機需求增長，刺激了ToF傳感器需求，3D ToF在智慧型手機上給用戶提供拍攝和圖像品質上的提升，未來不僅如此，在AR的人機互動體驗上，3D ToF有更多的發展空間。AR將會是之後推動3D ToF的重要一環。又比如門禁系統，這是非常大的應用。掃地機器人，這方面有很多應用。」 艾邁斯應用工程師經理李銘豪對記者表示。最新消息，小米最新推出的米家掃拖機器人1T支持的VSLAM+TOF成為其他廠商關注的焦點，VSLAM+TOF技術的密切配合，極大提升掃地機器人的定位精準性。

三家廠商ToF技術方案各有側重

AMS的dToF方案

ams作為目前業內唯一擁有3D傳感三種主流全技術（結構光、雙目立體視覺和飛行時間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年底發布的升級版TMF8801，基於ams專有的單光子雪崩二極體（SPAD）像素設計和具有極窄脈寬的時間-數字轉換器 (TDC)，可實時測量光子的直接飛行時間，實現快速精準確定物體的距離。

TMF8701有兩種工作模式：0-10cm 接近/遠離檢測，可用於啟動顯示屏傳感器和關閉人臉識別系統；10-60cm準確距離測量，可用於觸發更高功耗的人臉識別系統。TMF8701能夠以低功率運行，在以10Hz頻率採樣時，接近傳感模塊耗能僅為940 A，非常適合保持常開，作為智慧型手機臉部識別系統的喚醒器件。相形之下，TMF8801的提升主要在於工作距離的擴展，可遠至2.5m。

在蘋果將dToF用於輔助自動對焦、不同光照下物體精準探測、用於提升AR/VR應用體驗之前，在智慧型手機中，1D ToF主要用於前置3D傳感面部識別系統。實測數據顯示，集成1D ToF的3D識別系統，1次解鎖流程可節能超70%。更需留意的是，未集成1D ToF的3D識別系統有效工作距離更窄，由正常的20-60cm縮減為25-40cm，用戶體驗不好。

兆易創新的ToF方案

2019年，兆易創新通過併購思立微成功進入傳感器領域，進一步開拓業務領域。在目前較火熱的3D ToF技術方面，兆易創新推出了第一顆鍺矽工藝的ToF晶片GSLT9001（VGA解析度）。兆易創新傳感器事業部ToF市場總監劉浩雷對記者表示，該ToF晶片採用鍺矽工藝，可以支持1350nm和1550nm長波段以及940波段，而1350nm和1550nm波段在戶外的性能出色。

兆易創新的ToF解決方案採用了特殊工藝，有更高的QE（光電轉換率），可以有效降低功耗和系統成本，並且能夠同時支持1350nm-1550nm長波段和940nm波段，在戶外具有非常出色的性能，符合未來屏下方向需求。另外，由於它的波長更長，使得能量更弱，對於人眼的安全性也更有保障。

英飛凌攜手pmd推出超長測量距離的3D圖像感傳感器

近期，英飛凌和pmd發布了一種基於飛行時間技術的全新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，並在短距離和長距離精確測量AR的深度。它同時能夠滿足低功耗要求，可幫助成像儀節省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出色的相機效能，同時延長移動裝置的電池使用壽命。新型傳感器提供了諸如實時增強現實、遠距掃描、小物體重建、快速低功耗自動對焦和圖像分割等技術，適用於各種應用。該晶片預計2021年第二季度量產。

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圖像傳感器可實現新一代應用。其目標是打造最具沉浸式且智慧的AR體驗，以及在低光源條件下通過加快自動對焦速度，或運用圖像分割技術(picture segmentation)拍出更漂亮的夜間人像照，以提升拍照效果。此新款晶片的開發，實現了以最低功耗達到前所未有的10米測量距離，為圖像傳感器、驅動器和處理能力提升立下了新的標杆。」

小結

智能性，可靠性，低功耗，低成本和高集成度是將ToF技術集成到消費電子產品（例如計算機，電視，遊戲機，相機，可攜式攝像機和智慧型手機）中的驅動力。對這些設備的需求不斷增長，創造了對ToF傳感器的需求，這反過來又將推動ToF技術的進一步發展。

艾邁斯、兆易創新、TI、英飛凌、三星、索尼紛紛推出3D ToF傳感器產品，相信未來隨著智慧型手機、平板電腦、掃地機器人大規模使用ToF傳感器後，會給消費者帶來更好的產品體驗。

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