3D ToF开启未来AR之路，iPhone12 Pro和华为Mate40为何都选它？

（电子发烧友网报道 文/章鹰）11月，苹果iPhone12 5G系列的全球发布，华为Mate40的全球发布，都给5G手机市场带来了新的风向标。据DigiTimes最新报道，用户对iPhone12 Pro的需求强劲，由于对iPhone 12 Pro的需求强劲，苹果准备增加对基于 ToF 的 LiDAR 扫描仪的 VCSEL芯片的订单。而在中国和海外发布的华为Mate40 Pro及以上版本型号拥有支付级别的3D ToF人脸识别操作。
 

图：iPhone12 Pro     

                    图：华为Mate40 Pro
 

美国MarketsandMarkets最新报告预测，ToF传感器市场预计将从2020年的28亿美元增长到2025年的69亿美元，复合年增长率为20%。市场增长主要源自汽车产业对ToF传感器需求的增长，智能手机中3D摄像头的日益普及，以及高端智能手机的销量增长。

图：2020年-2025年ToF传感器增长趋势图

此外，3D机器视觉系统在航空航天、国防、消费电子、医疗保健以及工业4.0等领域的应用越来越广，也为ToF传感器的市场增长提供了重大机遇。

图：2017年~2025年按地区细分的ToF传感器市场预测

报告还特别指出，由于快速的工业化和增长，预计在预测期内，亚太地区的ToF传感器市场将以最高的复合年增长率增长。相信作为手机销量和制造大国的中国市场，正是这个风潮的引领者，苹果新5G手机iPhone12 Pro和华为Mate40 Pro的预定火爆，正是新技术推广的最佳时机。
 
ToF技术的走向如何？海外和中国主要ToF传感器厂商推出了哪些新品方案？ToF技术落地还存在哪些挑战？兆易创新传感器事业部ToF市场总监刘浩雷、艾迈斯半导体应用工程师经理李铭豪，还有英飞凌都带来了最新的ToF传感器市场前瞻和技术方案。
 

ToF技术走向和应用热点

TOF 是Time of flight 的简写，直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法 3D 成像，是通过给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。
 
ToF技术在发展过程中演化为两种不同的分支，分别为间接式indirect ToF (iToF)和直接式direct ToF (dToF)，主要的区别是对飞行时间测量方式的不同。
 
兆易创新传感器事业部ToF市场总监刘浩雷对记者表示：“iToF和dToF本身是技术特点，一段时间内iToF和dToF会并行。以手机为例，iToF的分辨率比较高，但其在近距离（10米以内）精度相对较高，适合短距离的应用，适合前摄，人脸解锁和支付。dToF的优点适用于距离、测量精度在工作范围内相对固定。它适合远距离场景。dToF分辨率需要提升，工艺、产业链成熟度、成本都有很大的提升空间。”
 
 “ToF在手机设备和消费领域上都已经逐渐普及，目前的技术主要在基于iToF（相位式-飞行时间）而非基于光原子实际飞行时间的计算。iPad Pro，iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max都相继采用了3D dToF功能，而且都放置在后置摄像头。这主要是后置所要面对的世界更辽阔且距离也更远。在远距离应用中，dToF的性能较iToF有特有的优势例如多面反射干扰，全程同精准度等。在智能应用场景如河图下，dToF就能让应用带来更好的用户体验和稳定性。” 艾迈斯半导体传感器负责人分析说。
 
他还指出，dToF的技术比iToF的技术有较好的精准度，高帧率和更小的功耗。目前dToF整个产业链对于所有领域都是比较新颖的产品，而其供应链目前还不完整。这将为整个传感器行业带来新的商机，尤其是关键的系统整合能力算法商和接收芯片（单光子雪崩二极管，SPAD）供应商。由于dToF功能已经推出，短时间内整合dToF供应链将会是一个极大的挑战。
 
“ToF有很多种应用。比如智能手机需求增长，刺激了ToF传感器需求，3D ToF在智能手机上给用户提供拍摄和图像品质上的提升，未来不仅如此，在AR的人机交互体验上，3D ToF有更多的发展空间。AR将会是之后推动3D ToF的重要一环。又比如门禁系统，这是非常大的应用。扫地机器人，这方面有很多应用。” 艾迈斯半导体应用工程师经理李铭豪对记者表示。最新消息，小米最新推出的米家扫拖机器人1T支持的VSLAM+TOF成为其他厂商关注的焦点，VSLAM+TOF技术的密切配合，极大提升扫地机器人的定位精准性。
 

三家厂商ToF技术方案各有侧重

ams的dToF方案

ams作为目前业内唯一拥有3D传感三种主流全技术（结构光、双目立体视觉和飞行时间ToF）的传感器厂商，在一年前推出了全球体积最小的dToF模块。
 
ams推出的TMF8xxx系列，主打两款为成熟的TMF8701和2019年底发布的升级版TMF8801，基于ams专有的单光子雪崩二极管（SPAD）像素设计和具有极窄脉宽的时间-数字转换器 (TDC)，可实时测量光子的直接飞行时间，实现快速精准确定物体的距离。
 
TMF8701有两种工作模式：0-10cm 接近/远离检测，可用于启动显示屏传感器和关闭人脸识别系统；10-60cm准确距离测量，可用于触发更高功耗的人脸识别系统。TMF8701能够以低功率运行，在以10Hz频率采样时，接近传感模块耗能仅为940µA，非常适合保持常开，作为智能手机脸部识别系统的唤醒器件。相形之下，TMF8801的提升主要在于工作距离的扩展，可远至2.5m。

在苹果将dToF用于辅助自动对焦、不同光照下物体精准探测、用于提升AR/VR应用体验之前，在智能手机中，1D ToF主要用于前置3D传感面部识别系统。实测数据显示，集成1D ToF的3D识别系统，1次解锁流程可节能超70%。更需留意的是，未集成1D ToF的3D识别系统有效工作距离更窄，由正常的20-60cm缩减为25-40cm，用户体验不好。
 
兆易创新的ToF方案
 
2019年，兆易创新通过并购思立微成功进入传感器领域，进一步开拓业务领域。在目前较火热的3D ToF技术方面，兆易创新推出了第一颗锗硅工艺的ToF芯片GSLT9001（VGA分辨率）。兆易创新传感器事业部ToF市场总监刘浩雷对记者表示，该ToF芯片采用锗硅工艺，可以支持1350nm和1550nm长波段以及940波段，而1350nm和1550nm波段在户外的性能出色。

兆易创新的ToF解决方案采用了特殊工艺，有更高的QE（光电转换率），可以有效降低功耗和系统成本，并且能够同时支持1350nm-1550nm长波段和940nm波段，在户外具有非常出色的性能，符合未来屏下方向需求。另外，由于它的波长更长，使得能量更弱，对于人眼的安全性也更有保障。
 
英飞凌携手pmd推出超长测量距离的3D图像感传感器
 
近期，英飞凌和pmd发布了一种基于飞行时间技术的全新3D深度传感器。这款命名为REAL3的ToF传感器可以集成到小型化的摄像头模块中，并在短距离和长距离精确测量AR的深度。它同时能够满足低功耗要求，可帮助成像仪节省40%以上的功耗。

REAL3 ToF传感器拥有灵活的可配置性，可在各种距离、光源条件和使用情況下展现出色的相机效能，同时延长移动装置的电池使用寿命。新型传感器提供了诸如实时增强现实、远距扫描、小物体重建、快速低功耗自动对焦和图像分割等技术，适用于各种应用。该芯片预计2021年第二季度量产。
 
英飞凌资深副总裁 Philipp von Schierstaedt 表示：“英飞凌和pmd technologies最新推出的 3D图像传感器可实现新一代应用。其目标是打造最具沉浸式且智慧的AR体验，以及在低光源条件下通过加快自动对焦速度，或运用图像分割技术(picture segmentation)拍出更漂亮的夜间人像照，以提升拍照效果。此新款芯片的开发，实现了以最低功耗达到前所未有的10米测量距离，为图像传感器、驱动器和处理能力提升立下了新的标杆。”

小结：

智能性，可靠性，低功耗，低成本和高集成度是将ToF技术集成到消费电子产品（例如计算机，电视，游戏机，相机，便携式摄像机和智能手机）中的驱动力。对这些设备的需求不断增长，创造了对ToF传感器的需求，这反过来又将推动ToF技术的进一步发展。
 
艾迈斯半导体、兆易创新、TI、英飞凌、三星、索尼纷纷推出3D ToF传感器产品，相信未来随着智能手机、平板电脑、扫地机器人大规模使用ToF传感器后，会给消费者带来更好的产品体验。

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