ToF前途未卜還是一片光明?

作者 : Illumi Huang,EE Times China

本文嘗試從ToF技術本身的原理,及其在手機市場的應用出發,來探討這些年有關ToF技術的傳言是否可靠...

近兩年的趨勢預測中,似有許多媒體資料和分析機構提到了ToF (Time of Flight)技術的即將爆發,但卻似乎又後勁乏力的消息。比如有人認為掣肘ToF發展的主因是應用場景受限,所以ToF迄今似乎都沒有什麼驚人的市場爆發現象。

在本文中,我們不想刻意琢磨統計機構的資料,而是嘗試從ToF技術本身的原理,及其在手機市場的應用出發,來探討這些年有關ToF技術的傳言是否可靠,尤其是在今年新版蘋果(Apple) iPad Pro問世以後,後置新增的那個LiDAR模組是否有機會帶動ToF技術發展;且包括華為(Huawei)手機在內的不少智慧型手機,已經連續數年將ToF模組應用於前向攝影機。

ToF在手機上的發展

如果用簡單的話來解釋ToF,無非就是「飛行時間」。從我們翻閱的資料來看,ToF並不限於光學領域,利用微波、超音波的「飛行時間」來計算物體距離的,都可以認為是ToF技術的應用。那麼實際上普通的微波雷達也可說是應用了ToF技術的典型設備。如此,ToF涵蓋的技術領域也就變得非常廣,而且ToF存在的歷史又可以往前推幾十年。

若將ToF限制在光學測距範疇,則ToF也就特指「光的飛行時間」,這也是目前我們對於ToF的狹義理解方式,或者特指「ToF攝影機」。相對簡單的解釋是:若要測得ToF模組與場景中某個對象(或某個點)的距離,則由ToF模組的光源向該物件發出光(子)。光在發出後抵達該物件,並反射回來,由ToF模組的感測器獲得。計量此間「光的飛行時間」,在光速已知的前提下即可得到距離資料,如圖1所示。

 

圖1:這是個十分簡化的模型,但也基本闡述了ToF技術的核心。至少透露了ToF模組在硬體實現上,至少需要包括發射端和接收端,當然另外還需要處理訊號的晶片、演算法與軟體。

 

ToF在近兩年成為熱門話題的主因,似乎是3D感測、3D視覺應用的崛起。典型的如iPad Pro所用的後置光達(LiDAR);這在我們探討的ToF範疇內,如果不考慮車用LiDAR這種能量等級,iPad Pro的ToF應用已經相對高級和複雜,與一般消費性用戶的距離看來似乎也稍遠。在談這種技術之前,不妨先看看更早以及更貼近生活的ToF應用。

手機對於「測距」的典型需求是前面板的距離感測:這是多年前功能性手機時代就存在的特性,即透過距離感測,在接打電話時,耳朵貼近螢幕就讓螢幕自動關閉。早年的距離感測只透過簡單的一個光電二極體實現,這種簡單的方案在某些場景下會失效,因為它是藉由測定外部亮度變化實現所謂的「距離感測」。

2015年前後,主動光學測距開始應用到手機上:這種測距系統結合了一顆LED與光感測器,LED會主動發光,如果感測器擷取到的反射光強度超過預設的閾值,手機螢幕就關閉。這幾乎可以認為是ToF的雛形了,iPhone 6s時代已經在採用這種技術。從市場研究機構TechInsights的拆解分析來看,iPhone 7真正落實了ToF感測器──即不再依賴於反射光強度變化,而開始計量來自雷射二極體的光子飛行時間。

更早將ToF模組應用於前面板的手機,可追溯至2014年的LG G3、BlackBerry Passport等。TechInsights的顯微拆解顯示,當時這些手機普遍開始應用意法半導體(ST)的早期VL6180方案。從分析來看,這是一個三合一的光學模組,其中包含了距離感測器、環境光感測器,以及垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)光源。

 

圖2:iPhone 7的前置光學模組。

(來源:TechInsights)

 

值得一提的是,其中的距離感測器實質是單光子雪崩二極體(SPAD)構成的——有關SPAD後文還會更具體地提及。至少,這顆模組裡就已經有了完整的ToF發射端和接收端。2016年意法半導體發佈VL53L0,其中去除了環境光感測器,SPAD陣列也發生了變化。雖然從現有拆解資料並不能確定,不過iPhone 7的前置光學模組實際上和VL53L0非常相似,只是更緊湊(圖2)。

在此,這顆ToF模組實際扮演的角色可能至少包括了距離感測,以及應用於前向攝影機的精準測距(對焦)。意法半導體的ToF方案選擇的皆為SPAD技術,如最新VL53L1、V53L3,以及VL53L5相較更早的產品提供相對更遠的測距能力和更具彈性的軟體配置。意法半導體大中華區及南亞區影像事業部技術市場經理張程怡表示:「過去5、6年時間,意法半導體的ToF感測器出貨量超過了10億,應用到了超過150款手機攝影機中。」

ToF在電子科技領域,乃至窄化到行動裝置方面的應用,不僅是這兩年才出現的。如手機的距離感測、攝影機雷射對焦等這些前兩年的熱點,實則都是ToF的典型應用。我們認為,ToF技術這兩年又熱起來,大致與消費性市場的再炒作有關;所謂的「應用場景受限」、「後勁乏力」從以上探討看來,也屬於絕對的偽命題,因為這片市場本來就非常繁榮。

張程怡指出:「從整個市場的角度來看,它和生活很接近,對於ToF效果的爭議,幾年前也早就結束了,現在大家都很認可。」

在這種ToF光學測距的「單點」之外,這兩年ToF的火熱更來自於當這些「單點」形成多點,甚至到「面」和深度圖(depth map)的時候,它在3D感測,以及對運算攝影的輔助。華為P/Mate系列手機、蘋果iPad Pro平板即是其後的典型應用,這可能才是更多人關注的話題。

由點到面的ToF

在談ToF於行動裝置應用之發展前,有必要將ToF技術在光學測距技術中的存在位置做個梳理。這裡我們主體上採用2001年 《光學工程》(Optical Engineering),如圖3所示。

 

圖3:光學測距技術的分類。

(來源:T. Bosch, Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement, Optical Engineering)

 

光學測距的方法整體上分成主動和被動兩種。其中被動(Passive)包括了立體視覺(Stereoscopy,比如人們常說的「雙攝測距」)、聚焦合成(Depth-from-Focus,典型的類似技術比如光場相機);而ToF被歸類到主動光學測距技術中——主動技術還包括了三角測量(Triangulation,典型的如iPhone中Face ID的結構光)、干涉量度分析法(interferometry)。

值得一提的是,這個分類方法或許仍然不夠全面。比如在不同切分維度中,三角測量這種方法本身就可以分成主動和被動兩種,雙攝測距的立體視覺就屬於被動三角測距方案。再比如說在被動光學測距技術分類上,在深度方面做文章的不僅有「depth from focus」,還有「depth from motion」、「depth from shape」等。由於篇幅限制,我們無法展開探討各種技術的優劣。這部分內容將在我們未來發佈的ToF行業與技術報告中更具體地闡述。

由於ToF技術這兩年異常受關注,ToF測距大方向分成dToF (直接ToF)與iToF (間接ToF)兩類也逐漸被更多的人所知。前文提到的ToF簡化版原理,以及意法半導體的這類方案實際上說的就是dToF,即發射端發射一個雷射脈衝,在碰到場景中的物體後反射,回到接收端的感測器——或者說光電探測器;此間就有個「計時器」電路用於測量時間。從原理上來說,dToF是一種十分直接的技術,不過由於這種技術對於光電探測器、光源和時間檢測相關電路有著很高的技術要求,所以其實現相對比較晚。

也因此dToF所用的感測器常見APD——這種二極體有著較高的增益和量子效率,採用APD比較典型的ToF影像感測器廠商有松下(Panasonic)。傳統的影像感測器,在單光子進入到像素中以後一般僅轉為單電子,在光訊號比較弱的時候,就有感光能力的問題。簡單地說,APD感測器是實現電子倍增。

就脈衝調變光的方案來看,可採用較低工作週期的照明,主動照明光可以短脈衝寬度以及高峰值輸出功率,同時兼顧人眼安全。由於峰值功率較高、SBNR (signal-to-background-noise ratio)也就極大提升,探測距離也就可以比較遠;而且APD可以避免多徑干擾之類的問題。

不過APD像素尺寸一般也非常大,要實現像素大陣列,或者說高像素也就很有挑戰。很多選擇APD像素的ToF裝置也因此需要有包含機械動作的掃描。這就不屬於我們要探討的行動裝置或者手機範疇了。

 

圖4:SPAD橫切面。

(來源:Wikipedia)

 

dToF方案裡另一個比較有代表性的感測器技術是前文就提到的SPAD,它和APD的差別在於更為敏感。一個光生載流子就能觸發大量雪崩電流;另外APD的dToF方案裡,TDC (time-to-digital converter)的觸發訊號是由一個互阻抗放大器(TIA)產生的,而SPAD一般能夠直接產生數位觸發訊號,也就是所謂的像素內TDC (in-pixel TDC)。

SPAD相比APD得以實現小像素尺寸,而且與CMOS全相容,SPAD像素陣列晶片級高度集成也就可行了。除了更低的時間抖動,單光子檢測屬性讓脈衝寬度很短,輸出功率也就可以比較高,SBNR自然可以更高。

 

圖5:dToF實現3D感測。

 

在我們常說的LiDAR固態方案裡,實施SPAD光電探測器,主動光源透過diffuser元件實現光線的漫射,而不需要真正的機械掃描動作,dToF就能實現並行的每個像素測量,以實現3D感測,從過去ToF僅用於單點測距,到如今3D視覺、建模這樣的應用(圖5)。

當然APD技術實際上也在發展中,比如松下今年才發佈了一種名為垂直堆疊APD (VAPD)的技術,以實現像素的小型化,能夠實現遠距離、高測距精度和更高的像素。只不過由於SPAD感測器包括淬火電路在內的各種電路仍然比較複雜,如TDC需要佔據很大的晶片上尺寸,像素也不可能做到像傳統攝影機CIS影像感測器那麼小——這些都是限制如今dToF感測器尺寸的原因。

 

圖6,Sony的DepthSense 3D Sensor。

(來源:TechInsights)

 

從TechInsights近期公佈的消息來看,iPad Pro 2020應用的LiDAR感測器可能來自Sony (但Sony已公開的DepthSense 3D Sensor似乎只有iToF方案),尺寸是18.0mm2,單像素大小10μm,解析度具體為3萬像素(圖6)。

雖然我們無法確定這顆感測器具體所用的是何種像素製程及結構,但考慮到iPad成像模組的大小,這個像素數量在dToF類別中應該已經相當高了。iFixit公佈的拆解視訊中,也提到其LiDAR紅外線照明點的密度也遠低於前置結構光的Face ID——這也是必然的。

(本文原刊於《電子工程專輯》簡體中文版雜誌2002年5月刊)

從簡單的測距應用到3D感測,ToF在手機與手機以外應用的前景為何?

繼續閱讀:不只手機應用 ToF擴大市場版圖

 

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