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同样是飞行时间,iToF和dToF区别在哪?

时间:2020-11-09 作者:刘于苇 阅读:
ToF技术又分为dToF(direct)和iToF(indirect)两种。虽然之前不少安卓旗舰智能手机已经搭载了ToF 3D摄像头,但是基本都是基于iToF技术。比如华为Mate30、vivo NEX等机型,其原理是利用i-ToF CIS进行相位测距,测量精度与距离呈线性关系。今年3 月,苹果悄悄在新款 iPad Pro的浴霸双摄旁搭载了dToF激光雷达,成为苹果 ToF技术的首发平台。紧跟着在10月发布的iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max上,dToF技术再次现身……
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今年3 月,苹果悄悄在新款 iPad Pro的浴霸双摄旁搭载了dToF激光雷达,成为苹果 ToF技术的首发平台。紧跟着在10月发布的iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max上,dToF技术再次现身,意味着苹果在ToF技术应用上的进一步加码。

ToF摄像头属于激光雷达技术(LiDAR,Light Detection And Ranging),是英文飞行时间(Time of Flight)的缩写,此前一直是汽车自动驾驶技术实现的主要技术之一。如今被苹果大面积用在消费类产品上,并在官网上对这部分做了相当篇幅的介绍。

苹果官网对iPad Pro激光雷达组件的介绍

“其实ToF技术用在手机等消费类产品上是大趋势,只不过以前受成本和分辨率的限制。”在芯智讯举办的第四届生物识别技术与应用论坛上,艾迈斯(ams)现场应用工程师经理李铭豪在接受《电子工程专辑》等媒体采访时表示,“领先的手机厂商如果能引领这方面的技术应用,会帮助ToF技术从精确度、结构复杂程度、可靠性等方面带来提升。同时ToF技术的发展,将来也会对手持设备产生很大影响。”

艾迈斯半导体(ams)现场应用工程师经理李铭豪

中远距离3D传感应用上,ToF优势明显

3D传感(3D sensing) 是当下智能手机在摄像、人脸识别上的主要创新点之一,实现技术有三种,分别是立体主动视觉(ASV)、结构光(Structured Light)和 ToF。目前已经比较成熟的方案是结构光和 ToF,结构光方案适用于近距离场景,已经应用于高端手机3D 视觉。结构光基本原理是用光学衍涉器件将VCSEL产生的激光光束阵列复制成至上万光束,用红外COMS图像传感器对光束照射物体上产生光斑大小及形状进生3D分析,从而获得深度信息。因光束分布、光衰减及算法上的限制,目前只用在近距离的应用。。

ams 对全部3D 传感平台提供基于VCSEL照明方案

在中远距离应用场景上ToF优势明显,因此被看好用在移动设备端。

ToF技术又分为dToF(direct)和iToF(indirect)两种。虽然之前不少安卓旗舰智能手机已经搭载了ToF 3D摄像头,但是基本都是基于iToF技术。比如华为Mate30、vivo NEX等机型,其原理是利用i-ToF CIS进行相位测距,精度易受测量环境的影响,无法使用在较远的距离上。

苹果产品采用的是dToF。与iToF相比,dToF采用SPAD(单光子雪崩二极管) 传感器阵列进行时间测距,具备低功耗、抗干扰等优势,测量精度在工作范围内相对稳定,适用于对测距精度要求高的较远距离测距场景。

苹果为何押注dToF?

dToF和iToF发射的雷达光波不一样,所获得的图像分辨率和清晰度也有差别。

ToF 相机工作原理

举例来说,iPad Pro和iPhone 12 Pro上基于dToF的雷达扫描仪,主要是通过直接向测量物体发射光脉冲,光波遇到不可穿透物体会发生反射。通过接收单点位置,测量发射光与反射光之间的时间间隔,得到光的飞行时间,计算出光源与物体之间的距离,由此形成点云图后再得到一张被测物体的 3D 模型。

之前智能手机常用的 iToF 技术则是通过把发射的光调制成一定频率的周期型信号,检测反射调制光和发射调制光之间的相位差,间接测量飞行时间。由于 iToF 传感器的像素尺寸相对较小,可实现相对高的图像分辨率,但从原理上看,调制频率越高则测距精度越好,高调制频率意味着对应的测距距离不能太大。因此目前 iToF 主要应用在测距距离较短的场景中。

李铭豪表示,几年前iToF是比较流行,设计比较简单,生产比较容易。但从技术角度来说dToF会更好,“iToF比较容易受到环境的影响,比如日光强烈的时候非常明显。dToF则不会受到这方面的明显影响,这是很重要的一点。”

安卓手机在 2018 年就引入 iToF ,很大一个原因是iToF传感器电路相对简单,难在深度算法。dToF 深度算法相对简单, 但是因为要检测光脉冲信号(纳秒甚至皮秒级),对光的敏感度要求很高,因此接收端通常选择 SPAD或者 APD(雪崩光电二极管)等类型的传感器来实现,成本更高。APD和SPAD通过增加偏置电压,在光子到光电二极管的时候会产生雪崩效应,产生大量的电子。这对成像不利,但是对于检测脉冲则很好。

PD、APD和SPAD元件的功能特点示意图

尤其是SPAD,是 dTOF 技术的核心,比APD更敏感,只需要很少的光子就能产生雪崩效应。目前世界上只有极少数厂家具备这种工艺技术和量产能力,除车载LiDAR 之外,目前仅有苹果一家在消费电子上实现商用。

成本下降后,还能做阵列

此前有报道称,松下最新研究发现dToF也可以用 CMOS 工艺实现,如此一来其集成度将在数量级上逼近 iToF 方案。后面随着dToF生产成本的降低,优势会逐渐明显起来。

李铭豪表示:“目前手机上最先起来的可能是单点ToF产品,应用在摄像头对焦系统上效果非常好。在单点基础上,艾迈斯半导体开发的4x4阵列ToF可以实现一些行为、手势的识别,甚至可以看一个物体的外形。”

ToF传感未来的应用充满想象力

阵列式ToF的应用市场是非常广的,除了手机,在安防、工业和汽车领域里都可能会用到高阵列SPAD产品。随着成本的降低,ToF会以更大面积的阵列方式实现,带来效果、应用方面的更大拓展,“例如扫地机器人搭配4x4阵列的ToF,完全可以在不扫描的情况下规划路径,判别前面物体的形状。” 李铭豪补充道。

责编:Luffy Liu

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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