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從ToF攝像頭說(shuō)起,探索ToF技術(shù)前途


  來(lái)源: 電子工程專輯 時(shí)間:2020-05-20 編輯:儀器儀表WXF
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近兩年的趨勢(shì)預(yù)測(cè)中,似有許多媒體資料和分析機(jī)構(gòu)提到了ToF(Time of Flight)技術(shù)的即將爆發(fā),但卻似乎又后勁乏力的消息。比如有人認(rèn)為掣肘ToF發(fā)展的主因是應(yīng)用場(chǎng)景受限,所以ToF迄今似乎都沒(méi)有什么驚人的市場(chǎng)爆發(fā)現(xiàn)象。


在本文中,我們不想刻意琢磨統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù),而是嘗試從ToF技術(shù)本身的原理,及其在手機(jī)市場(chǎng)的應(yīng)用出發(fā),來(lái)探討這些年有關(guān)ToF技術(shù)的傳言是否可靠,尤其是在今年新版蘋(píng)果iPad Pro面世以后,后置新增的那個(gè)LiDAR模塊是否有機(jī)會(huì)帶動(dòng)ToF技術(shù)發(fā)展;且包括華為手機(jī)在內(nèi)的不少智能手機(jī)已經(jīng)連續(xù)數(shù)年將ToF模組應(yīng)用于前攝。


2015年ToF在手機(jī)上的發(fā)展


如果用簡(jiǎn)單的話來(lái)解釋ToF,無(wú)非就是飛行時(shí)間(Time of Flight)。從我們翻閱的資料來(lái)看,ToF并不限于光學(xué)領(lǐng)域,利用微波、超聲波的“飛行時(shí)間”來(lái)計(jì)算對(duì)象距離的,都可以認(rèn)為是ToF技術(shù)的應(yīng)用。那么實(shí)際上普通的微波雷達(dá)也可說(shuō)是應(yīng)用了ToF技術(shù)的典型設(shè)備。如此,ToF涵蓋的技術(shù)領(lǐng)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(xué)測(cè)距范疇,則ToF也就特指“光的飛行時(shí)間”,這也是目前我們對(duì)于ToF的狹義理解方式,或者特指“ToF攝像頭”。相對(duì)簡(jiǎn)單的解釋是:若要測(cè)得ToF模組與場(chǎng)景中某個(gè)對(duì)象(或某個(gè)點(diǎn))的距離,則由ToF模組的光源向該對(duì)象發(fā)出光(子)。光在發(fā)出后抵達(dá)該對(duì)象,并反射回來(lái),由ToF模組的傳感器獲得。計(jì)量此間“光的飛行時(shí)間”,在光速已知的前提下,即可得到距離數(shù)據(jù),如圖1所示。

ToF技術(shù)的核心模型

圖1


這是個(gè)十分簡(jiǎn)化的模型,但也基本闡述了ToF技術(shù)的核心。而且它也至少透露了ToF模組在硬件實(shí)現(xiàn)上,至少需要包括發(fā)射端和接收端,當(dāng)然另外還需要處理信號(hào)的芯片、算法與軟件。


近兩年ToF話題火熱的主因,似乎是3D感知、3D視覺(jué)應(yīng)用的崛起。典型的如iPad Pro所用的后置LiDAR激光雷達(dá)。這在我們探討的ToF范疇內(nèi),如果不考慮汽車(chē)LiDAR這種能量級(jí)別,則iPad Pro的ToF應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)高級(jí)和復(fù)雜,看起來(lái)和消費(fèi)用戶的距離似乎也稍遠(yuǎn)。在談這種技術(shù)之前,不妨先看看更早以及更貼近生活的ToF應(yīng)用。


手機(jī)對(duì)于“測(cè)距”的典型需求是前面板的距離感應(yīng):這是多年前功能機(jī)時(shí)代就存在的特性,即通過(guò)距離感應(yīng),在接打電話時(shí),耳朵貼近屏幕就讓屏幕自動(dòng)熄屏。早年的距離感應(yīng)只通過(guò)簡(jiǎn)單的一個(gè)光電二極管實(shí)現(xiàn),這種簡(jiǎn)單的方案在某些場(chǎng)景下會(huì)失效,因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)測(cè)定外部亮度級(jí)變化實(shí)現(xiàn)所謂的“距離感應(yīng)”的。


從2015年前后,主動(dòng)光學(xué)測(cè)距開(kāi)始應(yīng)用到手機(jī)上:這種測(cè)距系統(tǒng)結(jié)合了一枚LED,與光傳感器。LED會(huì)主動(dòng)發(fā)光,如果傳感器獲取到的反射光強(qiáng)度超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值,手機(jī)就熄屏。這幾乎可以認(rèn)為是ToF的雛形了,iPhone 6s時(shí)代已經(jīng)在采用這種技術(shù)。從TechInsights的拆解分析來(lái)看,iPhone 7真正落實(shí)了ToF傳感器:即不再依賴于反射光強(qiáng)度級(jí)變化,而開(kāi)始計(jì)量來(lái)自激光二極管的光子飛行時(shí)間。


更早將ToF模組應(yīng)用于前面板的手機(jī),可追溯至2014年的LG G3、黑莓Passport等。TechInsights的顯微拆解顯示,當(dāng)時(shí)這些手機(jī)普遍開(kāi)始應(yīng)用意法半導(dǎo)體的早期VL6180方案。從分析來(lái)看,這是一個(gè)三合一的光學(xué)模組,其中包含了距離傳感器、環(huán)境光傳感器,以及VCSEL光源(垂直腔面發(fā)射激光器)。


iPhone 7的前置光學(xué)模組
圖2,來(lái)源:TechInsights

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