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从ToF摄像头说起,探索ToF技术前途


  来源: 电子工程专辑 时间:2020-05-20 编辑:仪器仪表WXF
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近两年的趋势预测中,似有许多媒体资料和分析机构提到了ToF(Time of Flight)技术的即将爆发,但却似乎又后劲乏力的消息。比如有人认为掣肘ToF发展的主因是应用场景受限,所以ToF迄今似乎都没有什么惊人的市场爆发现象。


在本文中,我们不想刻意琢磨统计机构的数据,而是尝试从ToF技术本身的原理,及其在手机市场的应用出发,来探讨这些年有关ToF技术的传言是否可靠,尤其是在今年新版苹果iPad Pro面世以后,后置新增的那个LiDAR模块是否有机会带动ToF技术发展;且包括华为手机在内的不少智能手机已经连续数年将ToF模组应用于前摄。


2015年ToF在手机上的发展


如果用简单的话来解释ToF,无非就是飞行时间(Time of Flight)。从我们翻阅的资料来看,ToF并不限于光学领域,利用微波、超声波的“飞行时间”来计算对象距离的,都可以认为是ToF技术的应用。那么实际上普通的微波雷达也可说是应用了ToF技术的典型设备。如此,ToF涵盖的技术领域也就变得非常广,而且ToF存在的历史又可以往前推几十年。


若将ToF限制在光学测距范畴,则ToF也就特指“光的飞行时间”,这也是目前我们对于ToF的狭义理解方式,或者特指“ToF摄像头”。相对简单的解释是:若要测得ToF模组与场景中某个对象(或某个点)的距离,则由ToF模组的光源向该对象发出光(子)。光在发出后抵达该对象,并反射回来,由ToF模组的传感器获得。计量此间“光的飞行时间”,在光速已知的前提下,即可得到距离数据,如图1所示。

ToF技术的核心模型

图1


这是个十分简化的模型,但也基本阐述了ToF技术的核心。而且它也至少透露了ToF模组在硬件实现上,至少需要包括发射端和接收端,当然另外还需要处理信号的芯片、算法与软件。


近两年ToF话题火热的主因,似乎是3D感知、3D视觉应用的崛起。典型的如iPad Pro所用的后置LiDAR激光雷达。这在我们探讨的ToF范畴内,如果不考虑汽车LiDAR这种能量级别,则iPad Pro的ToF应用已经相对高级和复杂,看起来和消费用户的距离似乎也稍远。在谈这种技术之前,不妨先看看更早以及更贴近生活的ToF应用。


手机对于“测距”的典型需求是前面板的距离感应:这是多年前功能机时代就存在的特性,即通过距离感应,在接打电话时,耳朵贴近屏幕就让屏幕自动熄屏。早年的距离感应只通过简单的一个光电二极管实现,这种简单的方案在某些场景下会失效,因为它是通过测定外部亮度级变化实现所谓的“距离感应”的。


从2015年前后,主动光学测距开始应用到手机上:这种测距系统结合了一枚LED,与光传感器。LED会主动发光,如果传感器获取到的反射光强度超过预设的阈值,手机就熄屏。这几乎可以认为是ToF的雏形了,iPhone 6s时代已经在采用这种技术。从TechInsights的拆解分析来看,iPhone 7真正落实了ToF传感器:即不再依赖于反射光强度级变化,而开始计量来自激光二极管的光子飞行时间。


更早将ToF模组应用于前面板的手机,可追溯至2014年的LG G3、黑莓Passport等。TechInsights的显微拆解显示,当时这些手机普遍开始应用意法半导体的早期VL6180方案。从分析来看,这是一个三合一的光学模组,其中包含了距离传感器、环境光传感器,以及VCSEL光源(垂直腔面发射激光器)。


iPhone 7的前置光学模组
图2,来源:TechInsights

关键词:ToF传感器 ToF技术 前途    浏览量:836

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