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3D ToF開啟未來AR之路,iPhone12 Pro和華為Mate40為何都選它?

21克888 ? 來源:電子發燒友 ? 作者:章鷹 ? 2020-11-09 09:12 ? 次閱讀

電子發燒友網報道 文/章鷹)11月,蘋果iPhone12 5G系列的全球發布,華為Mate40的全球發布,都給5G手機市場帶來了新的風向標。據DigiTimes最新報道,用戶對iPhone12 Pro的需求強勁,由于對iPhone 12 Pro的需求強勁,蘋果準備增加對基于 ToF 的 LiDAR 掃描儀的 VCSEL芯片的訂單。而在中國和海外發布的華為Mate40 Pro及以上版本型號擁有支付級別的3D ToF人臉識別操作。


圖:iPhone12 Pro

圖:華為Mate40 Pro

美國MarketsandMarkets最新報告預測,ToF傳感器市場預計將從2020年的28億美元增長到2025年的69億美元,復合年增長率為20%。市場增長主要源自汽車產業對ToF傳感器需求的增長,智能手機中3D攝像頭的日益普及,以及高端智能手機的銷量增長。

圖:2020年-2025年ToF傳感器增長趨勢圖


此外,3D機器視覺系統在航空航天、國防、消費電子、醫療保健以及工業4.0等領域的應用越來越廣,也為ToF傳感器的市場增長提供了重大機遇。


圖:2017年~2025年按地區細分的ToF傳感器市場預測


報告還特別指出,由于快速的工業化和增長,預計在預測期內,亞太地區的ToF傳感器市場將以最高的復合年增長率增長。相信作為手機銷量和制造大國的中國市場,正是這個風潮的引領者,蘋果新5G手機iPhone12 Pro和華為Mate40 Pro的預定火爆,正是新技術推廣的最佳時機。

ToF技術的走向如何?海外和中國主要ToF傳感器廠商推出了哪些新品方案?ToF技術落地還存在哪些挑戰?兆易創新傳感器事業部ToF市場總監劉浩雷、艾邁斯半導體應用工程師經理李銘豪,還有英飛凌都帶來了最新的ToF傳感器市場前瞻和技術方案。

ToF技術走向和應用熱點

TOF 是Time of flight 的簡寫,直譯為飛行時間的意思。所謂飛行時間法 3D 成像,是通過給目標連續發送光脈沖,然后用傳感器接收從物體返回的光,通過探測光脈沖的飛行(往返)時間來得到目標物距離。

ToF技術在發展過程中演化為兩種不同的分支,分別為間接式indirect ToF (iToF)和直接式direct ToF (dToF),主要的區別是對飛行時間測量方式的不同。

兆易創新傳感器事業部ToF市場總監劉浩雷對記者表示:“iToF和dToF本身是技術特點,一段時間內iToF和dToF會并行。以手機為例,iToF的分辨率比較高,但其在近距離(10米以內)精度相對較高,適合短距離的應用,適合前攝,人臉解鎖和支付。dToF的優點適用于距離、測量精度在工作范圍內相對固定。它適合遠距離場景。dToF分辨率需要提升,工藝、產業鏈成熟度、成本都有很大的提升空間。”

“ToF在手機設備和消費領域上都已經逐漸普及,目前的技術主要在基于iToF(相位式-飛行時間)而非基于光原子實際飛行時間的計算。iPad Pro,iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max都相繼采用了3D dToF功能,而且都放置在后置攝像頭。這主要是后置所要面對的世界更遼闊且距離也更遠。在遠距離應用中,dToF的性能較iToF有特有的優勢例如多面反射干擾,全程同精準度等。在智能應用場景如河圖下,dToF就能讓應用帶來更好的用戶體驗和穩定性。” 艾邁斯半導體傳感器負責人分析說。

他還指出,dToF的技術比iToF的技術有較好的精準度,高幀率和更小的功耗。目前dToF整個產業鏈對于所有領域都是比較新穎的產品,而其供應鏈目前還不完整。這將為整個傳感器行業帶來新的商機,尤其是關鍵的系統整合能力算法商和接收芯片(單光子雪崩二極管,SPAD)供應商。由于dToF功能已經推出,短時間內整合dToF供應鏈將會是一個極大的挑戰。

“ToF有很多種應用。比如智能手機需求增長,刺激了ToF傳感器需求,3D ToF在智能手機上給用戶提供拍攝和圖像品質上的提升,未來不僅如此,在AR的人機交互體驗上,3D ToF有更多的發展空間。AR將會是之后推動3D ToF的重要一環。又比如門禁系統,這是非常大的應用。掃地機器人,這方面有很多應用。” 艾邁斯半導體應用工程師經理李銘豪對記者表示。最新消息,小米最新推出的米家掃拖機器人1T支持的VSLAM+TOF成為其他廠商關注的焦點,VSLAM+TOF技術的密切配合,極大提升掃地機器人的定位精準性。

三家廠商ToF技術方案各有側重

ams的dToF方案

ams作為目前業內唯一擁有3D傳感三種主流全技術(結構光、雙目立體視覺和飛行時間ToF)的傳感器廠商,在一年前推出了全球體積最小的dToF模塊。

ams推出的TMF8xxx系列,主打兩款為成熟的TMF8701和2019年底發布的升級版TMF8801,基于ams專有的單光子雪崩二極管(SPAD)像素設計和具有極窄脈寬的時間-數字轉換器 (TDC),可實時測量光子的直接飛行時間,實現快速精準確定物體的距離。

TMF8701有兩種工作模式:0-10cm 接近/遠離檢測,可用于啟動顯示屏傳感器和關閉人臉識別系統;10-60cm準確距離測量,可用于觸發更高功耗的人臉識別系統。TMF8701能夠以低功率運行,在以10Hz頻率采樣時,接近傳感模塊耗能僅為940μA,非常適合保持常開,作為智能手機臉部識別系統的喚醒器件。相形之下,TMF8801的提升主要在于工作距離的擴展,可遠至2.5m。


在蘋果將dToF用于輔助自動對焦、不同光照下物體精準探測、用于提升AR/VR應用體驗之前,在智能手機中,1D ToF主要用于前置3D傳感面部識別系統。實測數據顯示,集成1D ToF的3D識別系統,1次解鎖流程可節能超70%。更需留意的是,未集成1D ToF的3D識別系統有效工作距離更窄,由正常的20-60cm縮減為25-40cm,用戶體驗不好。

兆易創新的ToF方案

2019年,兆易創新通過并購思立微成功進入傳感器領域,進一步開拓業務領域。在目前較火熱的3D ToF技術方面,兆易創新推出了第一顆鍺硅工藝的ToF芯片GSLT9001(VGA分辨率)。兆易創新傳感器事業部ToF市場總監劉浩雷對記者表示,該ToF芯片采用鍺硅工藝,可以支持1350nm和1550nm長波段以及940波段,而1350nm和1550nm波段在戶外的性能出色。


兆易創新的ToF解決方案采用了特殊工藝,有更高的QE(光電轉換率),可以有效降低功耗和系統成本,并且能夠同時支持1350nm-1550nm長波段和940nm波段,在戶外具有非常出色的性能,符合未來屏下方向需求。另外,由于它的波長更長,使得能量更弱,對于人眼的安全性也更有保障。

英飛凌攜手pmd推出超長測量距離的3D圖像感傳感器

近期,英飛凌和pmd發布了一種基于飛行時間技術的全新3D深度傳感器。這款命名為REAL3的ToF傳感器可以集成到小型化的攝像頭模塊中,并在短距離和長距離精確測量AR的深度。它同時能夠滿足低功耗要求,可幫助成像儀節省40%以上的功耗。


REAL3 ToF傳感器擁有靈活的可配置性,可在各種距離、光源條件和使用情況下展現出色的相機效能,同時延長移動裝置的電池使用壽命。新型傳感器提供了諸如實時增強現實、遠距掃描、小物體重建、快速低功耗自動對焦和圖像分割等技術,適用于各種應用。該芯片預計2021年第二季度量產。

英飛凌資深副總裁 Philipp von Schierstaedt 表示:“英飛凌和pmd technologies最新推出的 3D圖像傳感器可實現新一代應用。其目標是打造最具沉浸式且智慧的AR體驗,以及在低光源條件下通過加快自動對焦速度,或運用圖像分割技術(picture segmentation)拍出更漂亮的夜間人像照,以提升拍照效果。此新款芯片的開發,實現了以最低功耗達到前所未有的10米測量距離,為圖像傳感器、驅動器和處理能力提升立下了新的標桿。”

小結:

智能性,可靠性,低功耗,低成本和高集成度是將ToF技術集成到消費電子產品(例如計算機,電視,游戲機,相機,便攜式攝像機和智能手機)中的驅動力。對這些設備的需求不斷增長,創造了對ToF傳感器的需求,這反過來又將推動ToF技術的進一步發展。

艾邁斯半導體、兆易創新、TI、英飛凌、三星、索尼紛紛推出3D ToF傳感器產品,相信未來隨著智能手機、平板電腦、掃地機器人大規模使用ToF傳感器后,會給消費者帶來更好的產品體驗。

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