雙目、結構光和ToF是近年來三種主流的3D成像方式。在手機、機器人、人機交互、汽車雷達以及其他工業領域中的應用廣泛。ToF是一種經濟高效、機械緊湊的深度成像解決方案，不受環境照明變化的影響，相比來說也是一種比較平衡的選擇，所以ToF傳感器適合大部分應用，應用更廣泛。

圖1、三種3D成像方式

ToF全稱是Time of flight（飛行時間），其實ToF是一種測距的方法，ToF相機一般需要使用特定人造光源進行測量，即通過測量超聲波、微波、光等信號在發射器和反射器之間的“飛行時間”來計算出兩者之間距離。能夠實現ToF測距的傳感器就是ToF傳感器。ToF傳感器種類很多，使用較多的是通過紅外或者激光進行測距的ToF傳感器。使用ToF傳感器生成和捕獲包含深度信息的數據，結合圖像傳感器，就可以得到3D圖像，我們將這種由ToF傳感器和圖像傳感器共同組成的相機稱為ToF相機。

圖2、TOF相機的工作原理（圖源：貿澤電子）

ToF傳感器使用微小的發射器發射紅外光或者激光，其中產生的光會從任何物體反彈并返回到傳感器。根據光的發射與被物體反射后返回傳感器之間的時間差，傳感器可以測量物體與傳感器之間的距離。

圖3、ToF傳感器

ToF傳感器按技術原理可分為光源被脈沖調制（Pulsed Modulation）（dToF）或連續波調制（Continuous Wave Modulation）（iToF）。dToF技術在激光功耗、抗干擾、遠距離精度等方面有著明顯優勢，是遠距離應用的絕佳候選，但對芯片設計、系統設計、制造工藝要求較高。iToF在芯片工藝和產業鏈已趨于成熟，但效果并不完美，其精度會受測量距離影響，距離限制在5米以內，從而導致其應用體驗不佳。

圖4、ToF傳感器分類

ToF傳感器通常是正弦波或方波。方波調制更常見，因為它可以很容易地用數字電路實現。調制可以通過對反射光的光電子積分或者在第一次檢測到反射時啟動快速計數器來實現。后者需要一個快速的光電探測器，通常是一個單光子雪崩二極管(SPAD)。這種計數方法需要快速的電子設備，因為要達到1毫米的精度需要對持續時間為6.6皮秒的脈沖進行計時。

圖5、ToF傳感器工作原理

本期我們來看一看全球ToF傳感器品牌及其產品都有哪些。

1、博通

博通的ToF傳感器AFBR-S50采用測量相位偏移差來間接測量光的飛行時間。核心部件包括850nm的激光器和APD陣列。內部集成的激光器采有人眼安全的Classs 1等級。這款產品可以測量最遠30米的中等距離，并具有12.4°x6.2°的視場（FoV），分辨率為32像素。這款光學飛行時間傳感器集成了850nm的激光光源，根據被測物體的距離，它可以發射一個2°x2°的光束，照亮1到3個像素。其應用包括距離測量和安全監控，其中3D圖像傳感更準確，可以更容易地識別人或物體。在物流、機器人和工廠自動化方面，它能夠安全地識別環境以及人機界面。

2、璦鐠瑞思

璦鐠瑞思的8x8像素3D TOF傳感器芯片epc611，是原單像素epc600和8 x 8像素epc610的產品的升級版。在上一代epc600/610產品基礎上，采集速度提高了10倍，精度提高了5倍，并且具有更好線性度和一致性。epc611采用與大面陣ToF傳感器芯片（160 x 60像素epc635和320 x 240像素epc660）相同的架構設計，具有同樣的強大功能。可應用于掃地機器人、工業自動化物體檢測、無人機定高及避障、手勢識別（人機交互）、汽車內人體坐姿檢測、門安全防護等應用。

3、邁來芯邁來芯采用IRBP濾波器的MLX75026具有QVGA（320×240像素）分辨率和1/4英寸光學格式，并支持940 nm照明。此外，該產品采用I2C接口進行配置，并提供CSI-2串行數據輸出。憑借高度集成、尺寸很小且功耗較低的傳感器，以及集成紅外帶通濾波器，工程師可以打造出緊湊且具有成本效益的ToF攝像頭，廣泛應用于汽車、工業和消費類領域。

4、意法半導體

意法半導體的單區飛行時間 (ToF) 傳感器VL53L4ED，工作溫度范圍擴展至-40°C至105°C，在一個使用方便的一體化模塊中集成激光器和單光子雪崩二極管（SPAD）陣列，即使在極端溫度條件下也能提供可靠的測量數據。適用于工業設備、智能工廠設備、機器人引導系統、戶外照明控制、安保監控系統等環境惡劣的應用領域，能夠在環境光很高的條件下提高接近檢測準確度和測量距離。

5、英飛凌

英飛凌與pmdtechnologies合作推出的REAL3?圖像傳感器系列，系列型號有IRS2877C、IRS2877A、IRS2975C、IRS2976C、IRS2381C等，IRS2976C圖像傳感器可支持640x480的系統VGA分辨率。該圖像傳感器憑借世界排行前列的小巧外形尺寸——23mm2，可輕松兼容之前的IRS2877C圖像傳感器，并且能非常方便地升級。超高的集成度使傳感器所使用的材料數量大大減少，外形更小巧，設計更簡單。全新IRS2976C圖像傳感器可與英飛凌最新的VCSEL驅動程序IRS9102C配合使用，助力研發人員設計體積更小、成本更低的3D攝像系統。這款傳感器是智能手機、支付終端、智能門鎖等應用進行安全身份認證的理想選擇，同時也適用于虛擬現實和增強現實（AR/VR）頭戴設備、服務機器人和各種物聯網設備。

REAL3?圖像傳感器系列使用紅均外光進行飛行時間（ToF）傳感，并為每個像素配備一個微透鏡，因此，幾乎沒有光能損失，而且準確性更高。英飛凌第六代REAL3? 3D ToF傳感器特別專注于消費類應用，例如：智能手機應用，特別是基于AR/MR的拍照和攝像。該傳感器的功耗比前幾代產品低40%，這對于需要長時間開啟ToF攝像頭的游戲等應用來說非常重要，可以保護電池壽命。考慮到現代智能設備對尺寸的嚴格限制，ToF傳感器的設計占用面積僅為4.4 × 4.8 mm2，與前幾代產品相比縮小了35%。

6、索尼

索尼的堆疊式單光子雪崩二極管（SPAD）深度傳感器IMX459，將僅為10平方微米的SPAD像素陣列和測距處理電路封裝在一顆芯片上，實現了緊湊的1/2.9型外形尺寸，實現了約10萬有效像素的高分辨率，可提供高精度的高速測距能力。可應用于基于直接飛行時間（dToF）方案的汽車激光雷達（LiDAR）。

7、三星

三星的間接飛行時間（iToF）傳感器ISOCELL Vizion 63D，僅有3.5?像素大小，在1/6.4”光學格式內達到視頻圖形陣列（VGA）級別分辨率（640x480），靈活適配于各類便攜式設備。ISOCELL Vizion 63D支持泛光（短距離高分辨率）和聚光（長距離）照明模式，將可測距離范圍從5米提升至10米。它通過檢測發射和反射光束之間的相位差來感知其周圍的三維環境。63D傳感器具有出色的準確度和清晰度，是服務業和工業機器人的理想選擇，其對需要高分辨率和精確深度檢測的XR設備和面部驗證至關重要。

8、德州儀器

德州儀器的一款ToF傳感器OPT8241就特別針對3D成像和深度感知應用設計，這款傳感器利用飛行時間（ToF）原理，通過發射光脈沖并測量其往返時間來計算與物體間的距離實現精確測距。該器件將 ToF 感應功能與經優化設計的模數轉換器和通用可編程定時發生器相結合，以高達150幀/秒的幀速率（600 讀出/秒）提供四分之一的視頻圖形陣列 (QVGA 320 x 240) 分辨率數據。同時，內置 TG 控制復位、調制、讀出和數字化序列， TG 具備可編程性，可靈活優化各項深度感應性能指標（例如功率、運動穩健性、信噪比和環境消除），OPT8241不僅具有高分辨率和快速響應特性，還具備出色的抗環境光干擾能力，即便在光線變化劇烈的場景中也能穩定工作，保障了機器人的穩定性和可靠性。

9、艾邁斯歐司朗

艾邁斯歐司朗的1D ToF傳感器TMF8801，采用2.2mmx3.6mmx1.0mm封裝，集成了 VCSEL 紅外發射器、多個 SPAD(單光子雪崩光電二極管)光探測器、時間-數字轉換器和直方圖處理內核。設備在芯片上實現基于直方圖的全占位監測、距離測量和接近傳感算法。支持實現攝像頭的激光檢測自動對焦，可以解決2cm到2.5m的距離內的識別問題，精確度達到5%，跟業界相比尺寸降低了30%左右。

10、濱松

濱松的近紅外增強型飛行時間（ToF）圖像傳感器S15743-01WT，采用緊湊的晶圓級封裝（WLP）技術，其中的光電二極管陣列為144x10像素，但是有效像素數為128x8，像素間距為20μm (H)、146.5μm (V)，像素高度為50μm。此外，該傳感器還集成了定時發生器、采樣&保持電路、水平移位寄存器、垂直移位寄存器、偏置發生器電路等。S15743-01WT光譜響應范圍為500nm至1100nm，在近紅外光譜區具有高靈敏度，峰值靈敏度波長為800nm，視頻數據傳輸速度為10MHz。S15743-01WT應用范圍包括運動捕捉和檢測，智能機器人/自動駕駛中物體的檢測，物流領域的形狀識別和安防領域的入侵檢測等。

11、亞德諾

亞德諾的ADSD3100是一款基于CMOS 3D ToF的3D深度和2D可視光成像器，可用于集成到3D傳感器系統中。讀出所需的功能模塊包括模數轉換器（ADC）、像素偏置電路和傳感器控制邏輯，內置在芯片中以便在系統中實現簡單、經濟高效的方案。ADSD3100通過移動行業處理器接口（MIPI）、攝像頭串行接口2（CSI-2）接口與主機系統進行電氣接口。為了完成工作子系統，需要用于成像器的鏡頭和光學帶通濾波器，以及紅外光源和相關驅動器。ADSD3100可應用于智能手機、AR/VR、機器視覺系統（物流和庫存）、機器人（消費電子和工業）等領域。

12、TDK

TDK的ICU-10201和ICU-20201是高性能超聲波飛行時間（ToF）傳感器，在微型3.5x3.5mm2 可回流焊封裝中集成了PMUT（壓電微機械超聲換能器）和超低功耗SoC。該傳感器內嵌有更強大的片上處理器，具有更強的計算能力，其增強的處理能力使得廣泛的應用算法可通過芯片直接運行，完全無需再為系統 MCU增加額外負荷。可用于短距和長距檢測。

13、特勵達易圖威

特勵達易圖威的Hydra3D+是一款832 x 600像素分辨率的飛行時間（ToF）CMOS圖像傳感器，采用Teledyne e2v的專有CMOS技術設計，具有全新的10 μm three-tap 像素，傳輸速度飛快（最快10ns），在 NIR 波長下顯示出高靈敏度，以及出色的解調對比度。這種精確的功能組合使該傳感器能實時工作而不產生運動偽影（即使場景中有快速移動的物體），并在段工作距離且具備出色的時域噪聲，此特性對于拾放、物流、工廠自動化和工廠安全等應用至關重要。創新性的片上多系統管理功能使其可應用于多個有源系統，不會受到干擾，因此不會錯誤測量。專為多功能三維檢測和測量設計。

14、凸版/Brookman

凸版/Brookman的BT008D是一款基于短脈沖調制（SPM）間接飛行時間（iToF）傳感技術的CMOS ToF深度圖像傳感器。其大約80000個有效像素測量點有利于快速后處理。Brookman創新的多抽頭全局快門像素結構和針對SPM iToF優化的像素運行，可以實現高速、高信噪比的深度傳感，同時無動態運動缺陷。此外，該傳感器還集成了片上12位高速模數轉換器，從而實現了低時間噪聲的快速讀出。該傳感器支持MIPI CIS-2和CCI傳感器接口。可滿足科學實驗、智能交通系統、室內監控、可穿戴設備等多領域的應用需求。

15、光程研創

光程研創基于GeSi（鍺硅基）光子創新的寬光譜3D ToF（飛行時間）傳感器“探索”系列，該3D飛行時間傳感器工作可在較長的近紅外波段（NIR）下運行，可用于比目前使用的940nm波長安全10倍以上的光譜區域，并可提高在陽光下的傳感精度和性能。其目標應用將受益于改進的3D傳感性能，如移動設備、汽車激光雷達和機器視覺。

16、新唐

新唐的3D ToF傳感器，基于2D圖像傳感器之技術，內置距離計算電路，能夠做到對每一個像素進行測距，不論室內外，強烈日光，相機和拍攝對象間的動態，遠距離（～18m）皆可測距辨識，適用于車載和工業。新唐的ToF傳感器源自對松下半導體業務的收購。

17、安森美

安森美的RB系列SiPM可在低偏置電壓下實現單光子靈敏度、高響應度和快速信號響應。該系列光電傳感器采用緊湊而堅固的模塑引線框架封裝（MLP），適用于回流焊工藝。RB系列SiPM及其封裝均針對規模生產而設計，以卷帶形式交付。RB系列SiPM的主要應用為采用905nm波長的激光雷達和測距應用。相比雪崩光電二極管（APD）和PIN二極管，該系列SiPM傳感器改善了高增益和單光子靈敏度。對于激光雷達（LiDAR）應用，這些特性可使LiDAR系統實現低反射率物體的遠距離探測。

18、芯視界

芯視界的單光子探測技術的3D ToF深度傳感器—VI4331，該傳感器分辨率高達240×96，支持水平120度廣視場角，擁有30fps高幀率，VI4331搭載高速MIPI接口, 可支持30fps的深度影像信息輸出。同時擁有全直方圖輸出功能, 滿足客戶多樣的場景應用需求。VI4331感光陣列支持一維單向掃描, 芯片搭載4組激光驅動信號，每一組可對應1/4 影像陣列的激光驅動信號。激光驅動信號可與內部傳感器掃描時間同步，搭配尋址式激光器，能完美實現固態掃描方案。適用于掃地機室內建模與避障、行為檢測、安檢監控等。

19、聚芯微

聚芯微的高性能飛行時間（ToF）3D圖像傳感器SIF2610。該產品集成了一個像素尺寸5um，分辨率VGA （640x480）級別的感光陣列，背照式BSI（Backside-illumination）像素結構，同時，借助于和全球頂級晶圓廠的深度合作，聚芯微電子進一步提高了像素的QE（量子效率），相較于傳統的ToF傳感器，SIF2610在940nm波段的QE提升了3.5倍，這將為ToF傳感器帶來更高的靈敏度，從而進一步提升測量精度并降低系統功耗。該產品延續了聚芯微電子在ToF技術上的深厚積累，相較于其第一代ToF產品，SIF2610在分辨率、測量精度、抗環境光干擾、功耗等關鍵指標上有了顯著提升。同時，借助SIF2610豐富的功能，其可以靈活的應用于智能手機、IoT、機器視覺、自動駕駛等多個領域。

聚芯微的3D dToF圖像傳感器芯片SIF7010，小尺寸、低成本、低功耗，測量距離超過5m，采用了3D堆棧工藝，實現了性能與功耗的平衡。該芯片集成了高PDP的SPAD成像陣列，高性能TDC以及低功耗ISP，搭載了自研的Advanced ML算法（剛剛發布的OPPO FindX6即采用了該算法），該芯片擁有的1200的成像點，可實現更好的全場景Auto-Focus、背景虛化人像模式、電影模式等，適用于場景建模和AR/VR應用。

20、光微科技

光微科技ToF芯片基于自研ToF（Time of Flight）核心技術，涵蓋I-ToF和D-ToF兩個方向，提供多款線陣和面陣等產品。NP2F3202是一款分辨率為QVGA（320x240）的相位式ToF深度傳感器芯片，具有精度高、功耗低等特性。芯片內部集成了溫度傳感器、調制光源信號發生器、ADC、高速時鐘、MIPI接口等模塊，并采用全局曝光、支持高調制頻率、高幀率以及多頻率多積分時間的工作方式，具有精度高、功耗低、片上集成溫度補償功能等特性，可應用于3D人臉識別、機器視覺、工業領域、機器人等場景；NP2F2401是一款分辨率為HQVGA（240x180）的相位式ToF深度傳感器芯片，具有精度高、功耗低等特性，芯片內部集成了溫度傳感器、調制光源信號發生器、ADC、高速時鐘、MIPI接口等，并采用全局曝光、支持高調制頻率、高幀率以及多頻率多積分時間的工作方式，可應用于手機、平板、智能家居、AR/VR等場景；NP2F1201是一款分辨率為120x90的相位式ToF深度傳感器，具有精度高、功耗低和溫度補償功能等特性。芯片采用全局曝光、支持高幀率及多頻率工作方式，適用于手機、平板、投影儀、手勢識別、智能家居等場景。

21、炬佑智能

炬佑智能的OPN8018基于新一代Pulse Hybrid ToF像素設計， 兼具間接式ToF的高集成度、脈沖式ToF的高精度和快速響應，以及直接式ToF的低功耗、抗干擾能力強的優點。640×480的精細分辨率配合0.5%的精度水準， OPN8018將在智能手機、 Face ID、3D建模等高精度高清3D應用領域大展身手。

炬佑智能的兩款封裝級別的ToF Sensor — OPN8008P和OPN8001C。OPN8008P基于320×240 ToF Sensor， 采用PLCC (Plastic LeadedChip Carrier)封裝， 全面對標JEDEC Level-2可靠性規范， 將面向高可靠性要求的安防和工業應用。OPN8001C基于100×100 ToF Sensor， 采用TSV (Through Silicon Via)封裝。借助硅通孔垂直電氣互連技術， 減小信號延遲， 降低寄生電容/電感， 在更小的面積上實現了更高性能和更低功耗， 將面向緊湊型應用。

22、靈明光子

靈明光子的一款高精度、低功耗的dToF（Direct Time of Flight，直接飛行時間）深度傳感芯片ADS6401，采用了先進的3D堆疊技術，具有感光區尺寸為1/6.76，對角線長度為2.6mm，有效像素達到210x160共33600個SPAD像素，像素尺寸為10um。它支持灰度圖和深度圖兩種方式輸出，PDE@940nm為14~20%，測距范圍支持0-19m。此外，該芯片還具備高效的多區控制和多區數據直出能力，可以利用4分區實現120/240 FPS的超高子畫幅幀率，為高速影像和AR交互提供支持。 將背照式（BSI）的SPAD傳感芯片晶圓和數字邏輯電路晶圓以Cu-Cu混合金屬鍵合技術進行堆疊，從而實現了從光傳感到電傳輸再到數字電路處理的高效直通。這種設計不僅減小了芯片的整體面積，還使得傳感芯片和邏輯電路可以分別采用最優制程，大幅降低了芯片的功耗。該芯片可廣泛應用于智能手機、MR/AR眼鏡、智能攝像頭、筆記本電腦、平板電腦、專用設備、掃地機器人、無人機等行業的實時三維測距及建模類應用。

23、印芯半導體

3D dToF領域，印芯半導體與芯片制造領域的頂級晶圓廠深度合作成功流片做出DEMO，并將三維識別的精度從傳統iTof的厘米級提升到毫米級別，將TOF系統的功耗大幅度降低90%左右，芯片面積和成本降低40%以上，分辨率從傳統iTOF的30萬像素提高到140萬像素，多項技術指標處于國際領先地位。該產品定位于機器視覺識別解決方案，可應用于智能手機、AR/VR設備、機器人、無人機、自動駕駛、安防設備等終端領域。

在3D ToF模組和相機的設計中，ToF傳感器的選型確實是最為關鍵的一環。在選型過程中，工程師需要綜合考慮多個因素，以確保傳感器能夠滿足設計需求并達到最佳性能。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數年已積累了豐富的優勢貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產業供需略盡綿薄之力。