不只手機應用 ToF擴大市場版圖

作者 : Illumi Huang,EE Times China

在不同的應用場景中採用ToF技術有各自的挑戰,如對手機而言,空間限制是個重要因素...ToF在手機市場之外的發展前景也值得探究。

【前情提要】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…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…

接續前文:ToF前途未卜還是一片光明?

從iPhone 7到iPad Pro 2020的發展,實則就是ToF (Time of Flight)技術從測距到3D感測的發展史;僅在短短的這些年間。

而當然不只是Apple,其他一眾手機廠商如LG、BlackBerry、華為等,早就開始應用ToF方案。華為Mate 20 Pro手機在距離感測方案上就應用了來自ams的ToF模組;從System Plus Consulting的拆解來看,這款手機的前置成像模組中包含了一個來自ams的128像素SPAD光電探測器,像素尺寸15μm;當然還有VCSEL光源。

比較有趣的是Mate 20 Pro的前置光學模組中的3D感測系統實際並不僅有ToF。主要用於臉部識別的應該是典型的結構光模組,其中的VCSEL雷射光源有兩個,分別用於點陣投影機(DOT projector)和泛光照明器(flood illuminator),而且來自不同的供應商。當然這是題外話了。

3D感測正在普及的iToF

到了華為P30 Pro,後向攝影機方案中也開始應用ToF技術,整體方案來自Sony,這應該是個iToF方案,影像感測器相對常規,像素尺寸10μm,4.7萬像素;用於泛光照明的VCSEL光源來自Lumentum。

像iPad Pro那樣在小尺寸行動裝置上選擇dToF做較大範圍的3D檢測,現在看來似乎仍是個比較奢侈的方案。因為如前文所述,dToF原理雖然直接,而且更為精確,但它對各元件的時間抖動要求是比較高的,且要求更大的輸出功率。相對的iToF精度更低,卻更容易實現高幀率,對各部分元件的技術要求也會相對低一些。

 

圖1:iToF方案中的cwToF連續波方法。

(來源:ADI)

 

回顧上一篇文章提及的光學測距技術的分類,我們認為這個分類方法在針對iToF的分類上可能也是不夠全面的。參照ADI和英飛凌(Infineon)的官方資料,都將iToF分類為pToF (基於脈衝的ToF)和cwToF (連續波ToF,參考圖1)。

或許cwToF還可以進一步細分,即調頻連續波和調幅連續波。cwToF是由光源發出週期性調變訊號,接收端檢測反射光的相位偏移;而pToF則是由光源發出一系列的短脈衝,接收端的感測器會有個電子快門——電子快門在一系列短時間視窗中擷取獲反射光。這兩者也各有自身的優勢和缺點。比如ADI就在自家pToF方法中,選擇配備CCD感測器,而非CMOS,這對於實現小像素、更高解析度,和全域曝光實現快速移動目標檢測都有優勢。

需要注意的是,本文探討ToF模組時,更偏向於探討接收端的感測器部分,VCSEL屬於發射端。如前文所述,dToF對於發射端和接收端都提出了很高的要求。ams業務發展總監徐冰確認了這一點:「ToF的發射和接收技術要求都很高,特別是在dToF的應用;」ams資深行銷經理蔡鄭志強也告訴我們,VCSEL發射器在整個系統設計中尤其關鍵,均勻性、發散角、溫飄等因素都很重要;而且由於小型化需求,更對散熱等問題提出了更高的技術要求。

且整個ToF模組也不僅限於這兩個部分,另外還至少包含接收端鏡頭、發射端diffuser在內的光學元件,以及可能包括像ADI這樣獨立於感測器之外的類比前端晶片,用於數位化和輸出深度資料(圖2),便於快速取得整體影像深度資訊。

 

圖2:pToF方法中,位於CCD感測器之後的ADI前端處理晶片。

(來源:ADI)

 

當然我們沒有必要仔細去研究某個產品具體應用了何種方法,這裡我們看一個相對有代表性的iToF方案:LG G8 ThinQ手機。這款手機的ToF攝影機採用的是英飛凌/pmd的REAL3影像感測器。整體解決方案由英飛凌/pmd設計,模組主要包括了REAL3影像感測器(近紅外感測器)以及一個泛光照明器——即VCSEL die來自ams。

System Plus Consulting的拆解報告顯示,這顆感測器的解析度為224×172 (約3.9萬像素);相較2016年應用於聯想Phab2Pro的同解析度感測器,尺寸縮減了40%——這大概也能說明行動裝置上ToF攝影機模組正在變小,像素正在變小的趨勢;另外,VCSEL雷射die部分實則也有12%的體積縮減(圖3)。

 

圖3:LG G8 ThinQ的ToF攝影機模組中的VCSEL die。

(來源:System Plus Consulting)

 

與前些年手機將ToF應用於距離感測、雷射對焦一樣,如今實現3D感測的ToF的確越來越成為手機的標配。到這裡,即便不觀察市場規模的增長資料,我們也基本可以確認,ToF從來不存在所謂的「應用場景受限」或者前景未知的困惑,手機的ToF市場一直都發展得不錯。

拋開測距不談,3D ToF在手機上的應用至少包括了臉部識別(即便或許精度不及結構光)、掌紋識別、隔空手勢識別,以及配合電腦成像用於判斷場景深度,並配合做到模擬淺景深——也就是模擬單反那樣的背景虛化,其準確性會遠高於雙攝這樣的立體視覺方案。

另外,在行動裝置上搭載ToF攝影機,還可進一步促成擴增實境(AR)技術的發展,這也是市場對iPad Pro搭載LiDAR的一個預判。iOS生態的AR開發無需多言,Android平台的ARCore實際上是值得一談的。

這兩年一直有傳言說,Google很快就要為ARCore導入ToF的原生支援,這則消息到去年Google I/O似乎還未成形,不過在去年12月更新的ARCore API版本中,Google的新聞稿提及,「有專門攝影機即ToF感測器的設備,將能夠獲得更好、更精準的體驗。」

手機之外的更多應用

受限於篇幅,我們只能以梗概的方式談手機ToF的應用,有關ToF系統的技術點仍有很多問題未曾涉及。例如在不同的應用場景中採用ToF技術有各自的挑戰,如對手機而言,空間限制是個重要因素。

英飛凌電源與傳感系統事業部大中華區射頻及感測器部門總監麥正奇告訴我們:「在像素尺寸縮小、解析度提高的情況下,如何保證低功耗的要求,是英飛凌和技術開發合作夥伴pmd technologies攜手,在相關不同的設計層級,對REAL3 ToF產品進行優化的方向。」

 

圖4:專有SBI電路能克服各種光照條件帶來的影響。

(來源:英飛凌)

我們採訪的數家ToF企業均提及ToF模組紅外線感測器技術難點中的背光干擾抑制,SPAD在這方面理論上本身應該是有天然優勢的。對於iToF來說,戶外場景下ToF攝影機面對十分明亮的背景光,對畫面主體的距離測量會產生不良影響(過曝無法提供深度資訊)。

如麥正奇表示,英飛凌在感測器中「採用專有SBI (背景干擾抑制)電路;這是一種像素內電路技術,旨在克服各種光照條件帶來的影響;」SBI背光抑制專利似乎一直都是英飛凌對外的宣傳重點,實現據說提升「近20倍的動態範圍。」(參考圖4)。

ADI系統應用工程經理李佳則表示,ADI的ToF方案「可支援940nm光源,並且每個像素都有獨特的背景照明抑制電路。」

對於ToF,在手機市場之外,我們也有必要探討其發展前景。徐冰表示:「市場是需要時間去接收和驗證的,ams對於自身的3D技術有著充分的信心。ams的ToF相關產品主要應用方向是手機市場、車載市場,安全和支付領域。」

麥正奇則表示:「儘管智慧型手機絕對是ToF感測器非常吸引人的一個應用,但其實ToF技術已經在遊戲機、智慧汽車、智慧家庭、工業領域和虛擬實境(VR)眼鏡中得到了應用,還有很多潛在的應用。”

意法半導體的態度也很明確,該公司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年,到今天以及未來,我們還是相當側重在消費性電子市場,除了像是智慧型手機的自動對焦,從應用來分,還有已經發展起來、且在持續發展的投影機自動對焦。

「第二是檢測應用──今年的情況很特殊,我們也發現在檢測體溫、閘機管制這些應用場景中,ToF也有很大的需求;還有像是智慧家居面板,商用電腦、兒童教育面板等。」張程怡接著指出:「第三部分,我們還側重在障礙物檢測,像是家用掃地機器人、酒店/展館的服務機器人等;工廠裡的機器人避障也需要使用。」

針對非消費性市場,ADI李佳表示:「我們認為下面這些領域ToF可以快速導入:智慧建築領域、用於人臉識別的身份安全驗證、汽車倒車影像應用、確保工業自動化操作的安全性、AGV (自動導航車輛)等自動駕駛車輛。」顯然,無論是測距還是3D感測,ToF技術的發展都是相當有序的,無論是行動裝置,還是其他領域。

本文同步刊登於《電子工程專輯》簡體中文版2002年5月號

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