在2020年春季的發(fā)布會上，蘋果公司新發(fā)布的iPad Pro受到了廣泛關(guān)注，尤其是其搭載的激光雷達更成為大家討論的熱點。按照蘋果說法，這個特制的激光雷達掃描儀利用直接飛行時間 （dToF）測量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠五米處反射回來的光。它可從光子層面進行探測，并能以納秒級速度運行，為增強現(xiàn)實及更廣泛的領(lǐng)域開啟無盡可能。來到秋季發(fā)布會上，蘋果同樣為其新一代的iPhone 12 Pro引入了同樣的激光雷達。
雖然包括筆者在內(nèi)的大多數(shù)人對于這種3D成像技術(shù)在移動設(shè)備上的應(yīng)用并沒有太直觀的體驗（3D成像從原理上看也有ToF、結(jié)構(gòu)光和雙目這三種不同的方案選擇），但從蘋果的投入和整個手機陣型的反應(yīng)看來，ToF無疑是一個更優(yōu)的選擇。
日漸升溫的ToF
業(yè)內(nèi)知名分析機構(gòu)Yole 最新發(fā)布的一份報告預(yù)測，ToF 3D成像和傳感產(chǎn)業(yè)在未來五年將有爆發(fā)式增長，其在 2019 年的市場收入為 6.46億美元，預(yù)計到 2025 年將達到 42 億美元，年復(fù)合增長率高達 36.8%。他們進一步指出，越來越多的智能手機廠商選擇在旗艦機中使用 ToF 攝像頭， 促進了 3D 成像和傳感技術(shù)在智能手機行業(yè)的落地與發(fā)展。Yole更是預(yù)測 ToF 的市場收入會在 2021 年超過結(jié)構(gòu)光，5 年內(nèi)將有過 6 億部智能手機裝配 ToF 傳感器。
所謂ToF，也就是Time of Flight，即是時間飛行。其具體的工作原理是ToF 傳感器通過光源驅(qū)動芯片調(diào)制信號，調(diào)制信號控制激光發(fā)射器（Laser）發(fā)射高頻調(diào)制的近紅外光，這些紅外光照射到物體表面漫反射后，接收器通過發(fā)射光與接收光的相位差或者時間差來計算深度信息。
時間飛行測量示意圖
根據(jù)發(fā)射和反射光的區(qū)別，ToF又分為iToF（間接飛行）和dToF（直接飛行）。其中，iToF是通過發(fā)射特定頻率的調(diào)制光，檢測反射調(diào)制光和發(fā)射調(diào)制光之間的相位差測量飛行時間；dToF則是通過直接向測量物體發(fā)射一個光脈沖，然后測量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時間間隔，從而得到光的飛行時間，進而獲得待測物體的深度。
“從當前ToF行業(yè)現(xiàn)狀來看，iToF在芯片的工藝和產(chǎn)業(yè)鏈雖然已經(jīng)趨于成熟，但達到的效果并不是很完美。尤其是其多境干擾局限，讓iToF在真實場景中存在復(fù)雜的漫反射甚至鏡面反射，進而使得測量值變大，嚴重影響3D重建的效果，從而導(dǎo)致其應(yīng)用受阻；而dToF技術(shù)在激光功耗、抗干擾、遠距離精度等方面有著明確的優(yōu)勢，是遠距離應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。”ams的3D產(chǎn)品線的高級市場經(jīng)理Sarah Cheng早日前的一場媒體會上告訴記者。
Sarah Cheng進一步指出，一方面，dToF方案能夠帶來高質(zhì)量的深度圖，讓其在有用的距離和環(huán)境光范圍（在室內(nèi)以及室外環(huán)境光條件下達到3-5米以上的距離）內(nèi)提供高精度、低噪聲、高可信度的深度信息，這將會是沉浸式AR的基礎(chǔ)；
其次，dToF的低功耗運行對于手機等應(yīng)用尤為重要，因為只有這樣才能保證3D在連續(xù)操作的同時，還能確保正常的手機續(xù)航力；
再者，dToF能提供穩(wěn)定的幀屏來允許3D攝像頭與其他相機的圖像融合，而高幀率和高質(zhì)量的深度圖同時也可以減少重建的時間。
“dToF所具備的各項優(yōu)勢都是打造更沉浸式AR體驗的關(guān)鍵”，Sarah Cheng表示。
“雖然dToF是遠距離應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，但是在工藝和生產(chǎn)鏈中均離成熟尚遠，所以仍需較長時間的打磨。但ams在歷經(jīng)了長時間的打磨之后，終于克服各種困難，成為行業(yè)領(lǐng)先的dToF解決方案供應(yīng)商?！盨arah Cheng補充說。
領(lǐng)先的堆棧式方案
從Sarah Cheng的介紹我們得知，憑借著ams獨有的、在各個構(gòu)件模塊的差異化技術(shù)，從光學(xué)器件到VCSEL再到自主封裝和獨到的人眼安全集成、自主系統(tǒng)設(shè)計，加上先進中間件和算法，ams推出了領(lǐng)先的3D直接飛行時間（dToF）整體解決方案。能讓制造商很方便地將其方案集成到手機之中。
Sarah Cheng指出，ams dToF解決方案是一套完整的技術(shù)堆棧，包含了VCSEL陣列、點陣光學(xué)系統(tǒng)和高靈敏度單光子雪崩光電二極管（SPAD傳感器）。借助這個設(shè)計，不但保證了遠距離下在戶外的最佳性能，而其點陣光學(xué)系統(tǒng)更是確保了整套方案的低功耗，嵌入式的分離架構(gòu)和完全校準的深度圖像輸出則可以最大減少手機廠商的集成工作量。
值得一提的是，ams的這個dToF方案使用的是堆疊架構(gòu)，這個設(shè)計在降低了系統(tǒng)的尺寸和成本之余，還降低了功耗了成本。
“ ams dToF解決方案的獨特性不僅在于它是一套完整的系統(tǒng)，ams特有的激光架構(gòu)和獨特的VCSEL技術(shù)也為整套系統(tǒng)的高性能奠定了基礎(chǔ)?！盨arah Cheng強調(diào)強調(diào)。
她表示，在這套系統(tǒng)中，首先它是采用了一個基于ams自主IP設(shè)計的一個點陣發(fā)射器，這確保了系統(tǒng)的高功效；其次，ams自主研發(fā)生產(chǎn)的大功率VCSEL技術(shù)為整套系統(tǒng)提供了極高的峰值功率的能力，大大提高了系統(tǒng)的環(huán)境光抗擾性；再者，其統(tǒng)搭載的VCSEL驅(qū)動系統(tǒng)針對超短脈沖的優(yōu)化，連續(xù)保證了遠距離、高精度、低平均功耗的同時，也降低了EMI輻射；最后，ams利用其特有的封裝設(shè)計使整套系統(tǒng)的傳熱性能達到最優(yōu)化，同時也在dToF系統(tǒng)層面集成了人眼安全特性，增加了最終平臺的人眼安全等級。
得益于這樣的設(shè)計，ams的這個dToF方案能獲得三個方面的差異化優(yōu)勢：
第一，它在所有光強條件下（強光，弱光，室內(nèi)，室外，較復(fù)雜的環(huán)境光等），在恒定分辨率下可實現(xiàn)較大的距離檢測范圍和較高的（不變的）距離檢測精度；
第二，它具有一流的高環(huán)境光抗擾性，其峰值功率比目前市面上提供的3D ToF解決方案高出20多倍。換而言之，它可以在室外強光的環(huán)境下仍然保持非常好的精度和性能；
第三，它針對移動設(shè)備優(yōu)化了最低的平均功耗。
“ams的dToF系統(tǒng)將會有1200個深度點，在室內(nèi)的測量距離可以達到10米以上，而室外強光下也可以達到5米的距離幀率最高可達100幀/秒，在30幀/秒的正?；蛱囟ōh(huán)境下，ams可將功耗控制在300豪瓦以下，這對手機平臺來說就非常的友好?！盨arah Cheng告訴記者。
在推動產(chǎn)品逐漸成熟并走向量產(chǎn)化的同時，ams也在開發(fā)與成熟生態(tài)系統(tǒng)廠商的協(xié)作，這包括基于高通平臺的安卓開發(fā)板以及和國內(nèi)知名軟件商虹軟科技合作開發(fā)提供最佳AR體驗的一個dToF推進解決方案。
以和虹軟的合作為例，據(jù)了解，集成ams 3D光學(xué)傳感解決方案和ArcSoft的先進中間件與軟件來實現(xiàn)即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）和3D圖像處理，能讓制造商能夠快速且更簡單地在移動設(shè)備中實現(xiàn)增強現(xiàn)實（AR）功能。除了AR，高性能、低功耗的dToF傳感系統(tǒng)還支持其他有價值的應(yīng)用，包括3D環(huán)境和物體掃描、攝像頭圖像增強，以及在黑暗條件下提供攝像頭自動對焦輔助。雙方的合作方案更成為了安卓移動設(shè)備在3D傳感系統(tǒng)領(lǐng)域的最佳選擇之一。
從消費電子往工業(yè)和汽車延伸
在介紹3D ToF方案的時候，ams方面多次提到，這個產(chǎn)品不但能夠應(yīng)用在包括手機在內(nèi)的消費電子領(lǐng)域，這也是原來的ams公司產(chǎn)品最為人熟知的的一個應(yīng)用領(lǐng)域。但艾邁斯半導(dǎo)體集團大中華區(qū)銷售和市場高級副總裁陳平路在演講中強調(diào)，在與歐司朗并購之后，公司加快了從消費電子到工業(yè)和汽車電子的延伸。
陳平路表示，新的艾邁斯半導(dǎo)體集團擁有超過5000多個研發(fā)工程師，眾多的客戶群體，全球的員工更是已經(jīng)達到3萬的規(guī)模。其中工業(yè)、汽車和醫(yī)療領(lǐng)域上占了63%的營收。
“在所半導(dǎo)體行業(yè)，特別是光學(xué)傳感器領(lǐng)域，我們應(yīng)該說是唯一一家可以提供全平臺的解決方案的公司。我們擁有Visualization、illumination和Sensing三大核心技術(shù)，而成為光學(xué)傳感器解決方案領(lǐng)域的卓越領(lǐng)導(dǎo)者則是我們新公司的目標”，陳平路告訴記者。
