ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?

作者:电工吧 日期:2020-08-14 09:49:19 人气: 栏目:市场动态

如今智能手机市场在摄像头方面的竞争仍处于白热化,除了摄像头、像素之争外,ToF摄像头的出场率也开始逐步提升。我们能接触到的ToF传感器只有手机摄像头这一种应用吗?各家的ToF方案又有何异同呢?
 
ToF作为三大主动式光学深度传感技术之一,另外两种分别是结构光和干涉测量。该技术主要用于中远距离的传感应用,我们也已经在汽车激光雷达中看到ToF的普及。据Markets and Markets最新报告显示,全球ToF传感器市场规模预计从2020年的28亿美元增长至2025年的69亿美元,复合年增长率将达到20%。
 
据市场调研公司Tech Systems Research的调查报告表示,全球ToF传感器去年的出货量在4700万左右,而这一数字将在今年增至1亿5500万,2021年预计达到2亿5500万。这其中最大的市场增长来源于自动驾驶/辅助驾驶对ToF传感器的需求增长,以及智能手机中3D ToF摄像头的日益普及,同时3D机器视觉系统在各行各业中的采用率提高,加之工业4.0的部署、国防与航空技术的发展,ToF传感器市场将在未来几年收获更大的机遇。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图1)


不同测距技术对比 / 电子发烧友网整理

 
在测距上,ToF与传统的超声波、红外三角测量、激光相比有着不小优势。不仅支持高读取频率和远距离测量,同样可以确保眼部保护以及多个传感器的混用,更重要的是不受环境光的影响。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图2)

dToF原理图

 
ToF摄像头是利用ToF测距法实现范围成像的产物,通过发射激光脉冲来测量物体与镜头间的距离。ToF技术本身也分为两种,一种是直接测量飞行时间的dToF,另一种是测量相位偏移的iToF,而后者还可以分为pToF(脉冲ToF)和cwToF(连续波ToF)等方法。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图3)

iToF原理图

 
与dToF相比,iToF系统集成难度低,但其精度也随之降低,并会随着距离增加持续降低。因此出于对测量距离与精度的要求,往往车载激光雷达中更常用dToF技术。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图4)

dToF和iToF对比 / 电子发烧友网整理

 
传统的ToF摄像模组分为五个部分:发光单元,光学元件,图像传感器,驱动器件与接口。其中发光单元往往会出于可见性的考量而选择红外光。
 
现在我们对ToF有了一个简要的了解,那么各个厂商又是如何落实自家的ToF方案的呢?
 
英飞凌(Infineon)

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图5)

IRS2381C 3D图像传感器 / Infineon

 
英飞凌针对ToF图像传感器推出了自己REAL3™传感器,其中IRS2381C是专门针对消费级手机应用所研发的。早在IRS2381C基于高成本效益的标准英飞凌CMOS技术,目前已经入量产阶段。该传感器的高性能像素阵列对940nm红外光高度敏感,因此可以提供难以匹敌的室外表现。最高性能的像素阵列可达到224 x 172像素(38k),微透镜下可实现14µm的像素间距,同时该传感器支持背景光抑制(SBI),在强日光下每个像素都可以做到20倍的动态扩充。在4.4 x 4.8 mm的极小尺寸下,该传感器非常适合AR、计算机摄影、3D扫描重构等后置摄像头应用,也可用于安全的面部识别和自拍等场景。
 

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图6)

IRS1125A 汽车级3D ToF传感器 / Infineon

 
除了消费级ToF传感器外,英飞凌还推出了针对汽车应用的3D ToF传感器,作为XENSIV™传感器产品线的一份子,同时也是符合车规标准的REAL3™传感器。这款封装为LFBGA-84的ToF传感器CIF分辨率达到352 x 288(约100k像素),还运用了扩频时钟技术(SSC)避免其它红外设备的干扰,并已通过AEC-Q100 grade 2认证。这款汽车ToF传感器更适合车内的应用场景,比如对乘客的舱内感知和驾驶者的手势控制等。
 
索尼(Sony)
 
作为全球领先的图像传感器厂商,索尼自然不免要在ToF市场分一杯羹,事实上索尼的ToF产品在各大市场的占有率也是难以撼动的。索尼于2015年收购了比利时厂商Softkinetic,正式进入ToF市场,并在2017年将其改名为索尼深度感知部门。索尼结合ToF技术和自研的背照射CMOS技术推出了DepthSense ToF传感器产品线,应用于手机、汽车、人机交互、机器人、游戏和物联网等市场。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图7)

iPad Pro激光雷达 / Apple

 
目前Vivo和华为都有部分机型加入了ToF摄像头以提升拍照性能,也都选用了索尼的iToF传感器方案,苹果在iPhone 11产品线上依然在使用结构光技术,但今年上半年推出的新款iPad Pro就用到了索尼定制的激光雷达,并运用了dToF技术,面向未来的增强现实扫描。据了解,苹果很有可能在下半年推出的iPhone 12 Pro Max中使用同样的激光雷达传感器,但苹果会不会采用ToF技术加强拍照效果也未可知。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图8)

Helios2 IP67 ToF 相机 / LUCID

除此之外,索尼的ToF传感器在物料处理和运输领域也有不小的应用前景。加拿大工业视觉相机的设计商与制造商LUCID Vision Labs(以下简称LUCID)在其下一代ToF相机Helios™2中使用了索尼的DepthSense™IMX556PLR背照式ToF图像传感器。该传感器的深度分辨率可达640 x 480,帧率可至60fps,LUCID不仅为其设计了IP67级别的防护,还可以提供亚毫米级的精度。
 
艾迈斯半导体

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图9)

TMF8801 ToF传感器 / ams

 
艾迈斯的TMF8801是一款dToF的传感器,可以实现最近20mm,最远2500mm的目标探测距离,其测量精度高于5%,也不会碰上iToF的多路干扰和多检测物体的问题。TMF8801通过亚纳秒级别的光脉冲和一种抗混叠的“秒表”方法来测量往返的脉冲时间,从而提供高精度的深度图像精度。
 
基于其2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的单模块封装,非常适合作为手机镜头,通过激光检测(LDAF)远处物体来实现自动对焦。
 
迈来芯(Melexis

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图10)

MLX75027 ToF传感器 / Melexis

 
迈来芯的主要ToF产品线是针对DMS(驾驶员监测)系统的汽车级ToF传感器。尽管自动驾驶技术发展迅猛,在没能真正实现L5级别的自动驾驶之前,对驾驶员的安全监测依然至关重要。迈来芯在近期与瑞士的一家3D眼动跟踪技术公司Eyeware合作,通过迈来芯的ToF传感器来实现可靠的视线与头部跟踪。
 
迈来芯的MLX75027汽车级VGA ToF传感器不仅提供一套完整的ToF方案,同样具有高达135个距离帧每秒的640x480深度分辨率。该传感器沿用了连续波ToF技术(cwToF),支持850nm和940nm两种波长,并通过了AEC-Q100 grade 2认证。这款传感器的定位是汽车应用,有手势控制、驾驶员监、骨架跟踪、人或障碍检测以及车流量监控等。据了解,迈来芯正在筹划第三代QVGA ToF传感器的推出,为客户提供更多分辨率与集成水平的选择。
 
炬佑智能(OPNOUS)
 
上海炬佑智能同样开发出了自己的ToF传感器系列,OPN8001/8008/8018,涵盖了100x100、320x240(QVGA)、640x480(VGA)的分辨率范围,帧率可选10/30/60 FPS,在5米的范围内可以做到1%的精度。炬佑智能在这些ToF传感器上使用了自研的脉冲混合式ToF技术。除ToF传感器之外,炬佑智能还有ISP芯片、模组和系统平台多条ToF产品线。在其产品规划路线图上,炬佑智能计划在今年推出1M分辨率的ToF传感器,并在2021年推出一体式动态易用的4D ToF方案。

ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?(图11)

ToF模组 / 炬佑智能

炬佑智能同样业界首创了智能校正技术(Smart Correction),对发光系统实现动态可控可调,使ToF性能大幅提高。据了解,这一技术会将ToF发光系统端的多个分离芯片集成到一起,并对ToF进行温度补偿,维持温度变化时传感器的准确度。
 
目前全球传感器厂商都在争抢ToF市场的蛋糕,三星从去年开始就已经在自家的旗舰机型上安装ToF传感器,意法半导体也推出了自己的FlightSense™ ToF传感器产品线,国内也有灵明光子这样的后起之秀。灵明光子声称面向消费电子的dToF单光子成像阵列(SPADIS)也于今年第二季度开始出货,未来随着3D集成的发展,dToF也有望达到iToF的像素水平。
 
考虑到对成本的控制和制造工艺难度上的原因,在未来的一段时间内iToF的产品依然将占据主流市场,并以达到VGA以上的像素为主。正是因为dToF的复杂程度和成本致使目前市场普及率不高,但在部分追求高精度的应用上依旧无法替代。再者我们已经看到了高度集成的趋势以及该方法的优势,未来dToF势必会逐步走向中端甚至是低端应用,同时兼具ToF的精度和像素。

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