[原创] ToF将迎来大爆发，ams全“芯”出击
2021-03-09
14:01:43
来源: 半导体行业观察
在2020年春季的发布会上，苹果公司新发布的iPad Pro受到了广泛关注，尤其是其搭载的激光雷达更成为大家讨论的热点。按照苹果说法，这个特制的激光雷达扫描仪利用直接飞行时间 (dToF)测量室内或室外环境中从最远五米处反射回来的光。它可从光子层面进行探测，并能以纳秒级速度运行，为增强现实及更广泛的领域开启无尽可能。来到秋季发布会上，苹果同样为其新一代的iPhone 12 Pro引入了同样的激光雷达。
虽然包括笔者在内的大多数人对于这种3D成像技术在移动设备上的应用并没有太直观的体验（3D成像从原理上看也有ToF、结构光和双目这三种不同的方案选择），但从苹果的投入和整个手机阵型的反应看来，ToF无疑是一个更优的选择。
业内知名分析机构Yole 最新发布的一份报告预测，ToF 3D成像和传感产业在未来五年将有爆发式增长，其在 2019 年的市场收入为 6.46亿美元，预计到 2025 年将达到 42 亿美元，年复合增长率高达 36.8%。他们进一步指出，越来越多的智能手机厂商选择在旗舰机中使用 ToF 摄像头, 促进了 3D 成像和传感技术在智能手机行业的落地与发展。Yole更是预测 ToF 的市场收入会在 2021 年超过结构光，5 年内将有过 6 亿部智能手机装配 ToF 传感器。
所谓ToF，也就是Time of Flight，即是时间飞行。其具体的工作原理是ToF 传感器通过光源驱动芯片调制信号，调制信号控制激光发射器（Laser）发射高频调制的近红外光，这些红外光照射到物体表面漫反射后，接收器通过发射光与接收光的相位差或者时间差来计算深度信息。
根据发射和反射光的区别，ToF又分为iToF（间接飞行）和dToF（直接飞行）。其中，iToF是通过发射特定频率的调制光，检测反射调制光和发射调制光之间的相位差测量飞行时间；dToF则是通过直接向测量物体发射一个光脉冲，然后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，从而得到光的飞行时间，进而获得待测物体的深度。
“从当前ToF行业现状来看，iToF在芯片的工艺和产业链虽然已经趋于成熟，但达到的效果并不是很完美。尤其是其多境干扰局限，让iToF在真实场景中存在复杂的漫反射甚至镜面反射，进而使得测量值变大，严重影响3D重建的效果，从而导致其应用受阻；而dToF技术在激光功耗、抗干扰、远距离精度等方面有着明确的优势，是远距离应用的关键技术。”ams的3D产品线的高级市场经理Sarah Cheng早日前的一场媒体会上告诉记者。
Sarah Cheng进一步指出，一方面，dToF方案能够带来高质量的深度图，让其在有用的距离和环境光范围（在室内以及室外环境光条件下达到3-5米以上的距离）内提供高精度、低噪声、高可信度的深度信息，这将会是沉浸式AR的基础；
其次，dToF的低功耗运行对于手机等应用尤为重要，因为只有这样才能保证3D在连续操作的同时，还能确保正常的手机续航力；
再者，dToF能提供稳定的帧屏来允许3D摄像头与其他相机的图像融合，而高帧率和高质量的深度图同时也可以减少重建的时间。
“dToF所具备的各项优势都是打造更沉浸式AR体验的关键”，Sarah Cheng表示。
“虽然dToF是远距离应用的关键技术，但是在工艺和生产链中均离成熟尚远，所以仍需较长时间的打磨。但ams在历经了长时间的打磨之后，终于克服各种困难，成为行业领先的dToF解决方案供应商。”Sarah Cheng补充说。
从Sarah Cheng的介绍我们得知，凭借着ams独有的、在各个构件模块的差异化技术，从光学器件到VCSEL再到自主封装和独到的人眼安全集成、自主系统设计，加上先进中间件和算法，ams推出了领先的3D直接飞行时间（dToF）整体解决方案。能让制造商很方便地将其方案集成到手机之中。
Sarah Cheng指出，ams dToF解决方案是一套完整的技术堆栈，包含了VCSEL阵列、点阵光学系统和高灵敏度单光子雪崩光电二极管（SPAD传感器）。借助这个设计，不但保证了远距离下在户外的最佳性能，而其点阵光学系统更是确保了整套方案的低功耗，嵌入式的分离架构和完全校准的深度图像输出则可以最大减少手机厂商的集成工作量。
值得一提的是，ams的这个dToF方案使用的是堆叠架构，这个设计在降低了系统的尺寸和成本之余，还降低了功耗了成本。
“ ams dToF解决方案的独特性不仅在于它是一套完整的系统，ams特有的激光架构和独特的VCSEL技术也为整套系统的高性能奠定了基础。”Sarah Cheng强调强调。
她表示，在这套系统中，首先它是采用了一个基于ams自主IP设计的一个点阵发射器，这确保了系统的高功效；其次，ams自主研发生产的大功率VCSEL技术为整套系统提供了极高的峰值功率的能力，大大提高了系统的环境光抗扰性；再者，其统搭载的VCSEL驱动系统针对超短脉冲的优化，连续保证了远距离、高精度、低平均功耗的同时，也降低了EMI辐射；最后，ams利用其特有的封装设计使整套系统的传热性能达到最优化，同时也在dToF系统层面集成了人眼安全特性，增加了最终平台的人眼安全等级。
得益于这样的设计，ams的这个dToF方案能获得三个方面的差异化优势：
第一，它在所有光强条件下（强光，弱光，室内，室外，较复杂的环境光等），在恒定分辨率下可实现较大的距离检测范围和较高的（不变的）距离检测精度；
第二，它具有一流的高环境光抗扰性，其峰值功率比目前市面上提供的3D ToF解决方案高出20多倍。换而言之，它可以在室外强光的环境下仍然保持非常好的精度和性能；
“ams的dToF系统将会有1200个深度点，在室内的测量距离可以达到10米以上，而室外强光下也可以达到5米的距离帧率最高可达100帧/秒，在30帧/秒的正常或特定环境下，ams可将功耗控制在300豪瓦以下，这对手机平台来说就非常的友好。”Sarah Cheng告诉记者。
在推动产品逐渐成熟并走向量产化的同时，ams也在开发与成熟生态系统厂商的协作，这包括基于高通平台的安卓开发板以及和国内知名软件商虹软科技合作开发提供最佳AR体验的一个dToF推进解决方案。
以和虹软的合作为例，据了解，集成ams 3D光学传感解决方案和ArcSoft的先进中间件与软件来实现即时定位与地图构建（SLAM）和3D图像处理，能让制造商能够快速且更简单地在移动设备中实现增强现实（AR）功能。除了AR，高性能、低功耗的dToF传感系统还支持其他有价值的应用，包括3D环境和物体扫描、摄像头图像增强，以及在黑暗条件下提供摄像头自动对焦辅助。双方的合作方案更成为了安卓移动设备在3D传感系统领域的最佳选择之一。
在介绍3D ToF方案的时候，ams方面多次提到，这个产品不但能够应用在包括手机在内的消费电子领域，这也是原来的ams公司产品最为人熟知的的一个应用领域。但艾迈斯半导体集团大中华区销售和市场高级副总裁陈平路在演讲中强调，在与欧司朗并购之后，公司加快了从消费电子到工业和汽车电子的延伸。
陈平路表示，新的艾迈斯半导体集团拥有超过5000多个研发工程师，众多的客户群体，全球的员工更是已经达到3万的规模。其中工业、汽车和医疗领域上占了63%的营收。
“在所半导体行业，特别是光学传感器领域，我们应该说是唯一一家可以提供全平台的解决方案的公司。我们拥有Visualization、illumination和Sensing三大核心技术，而成为光学传感器解决方案领域的卓越领导者则是我们新公司的目标”，陈平路告诉记者。
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