一文看懂iPad Pro 3D的感测新技术dToF
2020-07-13
14:00:34
来源: 半导体行业观察
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智能手机中的3D 感测功能一直是行动装置创新的趋势之一，今年苹果在最新iPad Pro 中，苹果宣布使用dToF LiDAR 技术，而该技术一在消费性电子产品亮相后，成为整个产业关注焦点。
现阶段3D 感测技术共分三类，分别为立体系统(两眼立体成像)、结构光和ToF，当中以结构光技术最为成熟，已经大规模应用于工业3D 视觉领域，至于ToF 则在行动产品市场中最被看好。
ToF 透过衡量发射光与反射光的感应时间落差计算出光源与物体之间的距离。而根据测距的方式不同，目前ToF 技术又可细分为iToF (indirect-ToF) 和dToF(direct-ToF) 两种。
iToF 是利用发射特定频率的光，检测反射光和发射器之间的位置差距，测量飞行时间。
iToF 间接测量红外线飞行时间，具备低成本、较高解析度优势，适用于短距离测距。但因为iToF 测距距离不能太大，且环境光源会对电路产生干扰，所以目前iToF 主要应用在手机脸部辨识、手势辨识等测距距离较短的场景中。
至于dToF 则是透过直接向测量物体发射雷射脉冲，并测量反射脉冲和发射器之间的时间间隔，得到光的飞行时间而直接计算待测物体的距离。
而dToF 和iToF 的原理主要差别于发射和反射光的不同，dToF 相较于iToF 来说制作困难度要高上不少，dToF 的困难点在于要检测的光讯号是一个脉冲讯号，因此检测器对于光的敏感度要求非常高，常见的dToF 感测器接收端是使用单光子崩溃二极体(SPAD)，或累崩式光电二极体(APD)。
SPAD 是dTOF 技术的核心，技术难度高且制作工艺复杂，目前世界上极少厂商具备量产能力，SONY 与意法是当中主要厂商。
同时dTOF 要应用在手机等小型消费性电子产品上更为困难，目前一般热门应用领域在车载LiDAR 中，而消费电子领域只有苹果在iPad 上实现商用。
2020 新款iPad Pro 搭载dToF LiDAR 技术，透过这项技术可以使iPad 取得3D 空间的「深度」数据，建立更详细室内空间讯息，模拟出摆放新家具后的实际情况。IKEA 的IKEA Place App，利用AR 让居家产品的外观和在家中的摆放效果直接呈现在消费者眼前。
dTOF 技术的应用可望改善AR 应用内容，加速AR 在一般消费市场普及，苹果在2017 年便针对开发者推出用于iOS 上AR 应用的ARKit 开发工具，2020 年推出的iPad Pro 则是在消费性电子装置中首度搭载dToF 模组，可视为苹果针对5G 时代AR 领域进一步布局。
iPad Pro 搭载的LiDAR，采用Sony 3 万像素10μm dTOF 图像感测器，SPAD 阵列的感测器，并整合Lumentum 的VCSEL 芯片和TI 的VCSEL 驱动芯片，能达到PS 级时间解析度，可实现5公尺范围内的3D 感测与成像，具备更快的AR 建构模组速度、更高的测量精准度和更少错位。
下一波移动终端创新将围绕在AR技术上，这将会推动TOF产业的发展。根据Yole预测数据显示，全球3D感测器的市场规模在2016至2022年间的年复合成长率为38%，2017年市场规模18.3亿美元，2022年将超过90亿美元，其中以消费性电子成长最快。而该市场应用规模在2016至2022年的年复合成长率高达160%，到2022年消费电子市场规模将逾60亿美元。
从出货量来看，智能手机3D 感测需求将从2017 年的4000 万只增加至2019 年的2 亿只以上，其中2019 年的ToF 机型还只集中在几款高阶旗舰机，但从今年开始TOF 的出货量将进一步爆发，占整体3D 感测比重有机会升至40%。
今年苹果公布新款iPad Pro 最大亮点就是搭载dToF 技术的LiDAR 模组，这势必先在平板电脑领域掀起一股疯潮。不过要加速在手机市场的能见度首要先克服如何小型化，一旦能做到适用于手机的轻、薄、短、小后，dToF 需求可望进入起飞期。
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