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。
雖然包括筆者在內的大多數(shù)人對于這種3D成像技術在移動設備上的應用并沒有太直觀的體驗（3D成像從原理上看也有ToF、結構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看來，ToF無疑是一個更優(yōu)的選擇。
日漸升溫的ToF
業(yè)內知名分析機構Yole 最新發(fā)布的一份報告預測，ToF 3D成像和傳感產業(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，預計到 2025 年將達到 42 億美元，年復合增長率高達 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 成像和傳感技術在智能手機行業(yè)的落地與發(fā)展。Yole更是預測 ToF 的市場收入會在 2021 年超過結構光，5 年內將有過 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 傳感器通過光源驅動芯片調制信號，調制信號控制激光發(fā)射器（Laser）發(fā)射高頻調制的近紅外光，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)射特定頻率的調制光，檢測反射調制光和發(fā)射調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在芯片的工藝和產業(yè)鏈雖然已經趨于成熟，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，從而導致其應用受阻；而dToF技術在激光功耗、抗干擾、遠距離精度等方面有著明確的優(yōu)勢，是遠距離應用的關鍵技術。”ams的3D產品線的高級市場經理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方案能夠帶來高質量的深度圖，讓其在有用的距離和環(huán)境光范圍（在室內以及室外環(huán)境光條件下達到3-5米以上的距離）內提供高精度、低噪聲、高可信度的深度信息，這將會是沉浸式AR的基礎；
其次，dToF的低功耗運行對于手機等應用尤為重要，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體驗的關鍵”，Sarah Cheng表示。
“雖然dToF是遠距離應用的關鍵技術，但是在工藝和生產鏈中均離成熟尚遠，所以仍需較長時間的打磨。但ams在歷經了長時間的打磨之后，終于克服各種困難，成為行業(yè)領先的dToF解決方案供應商?！盨arah Cheng補充說。
領先的堆棧式方案
從Sarah Cheng的介紹我們得知，憑借著ams獨有的、在各個構件模塊的差異化技術，從光學器件到VCSEL再到自主封裝和獨到的人眼安全集成、自主系統(tǒng)設計，加上先進中間件和算法，ams推出了領先的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堆棧，包含了VCSEL陣列、點陣光學系統(tǒng)和高靈敏度單光子雪崩光電二極管（SPAD傳感器）。借助這個設計，不但保證了遠距離下在戶外的最佳性能，而其點陣光學系統(tǒng)更是確保了整套方案的低功耗，嵌入式的分離架構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，這個設計在降低了系統(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特有的激光架構和獨特的VCSEL技術也為整套系統(tǒng)的高性能奠定了基礎?！盨arah Cheng強調強調。
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)生產的大功率VCSEL技術為整套系統(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，室外，較復雜的環(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。
在推動產品逐漸成熟并走向量產化的同時，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，據了解，集成ams 3D光學傳感解決方案和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備在3D傳感系統(tǒng)領域的最佳選擇之一。
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，這個產品不但能夠應用在包括手機在內的消費電子領域，這也是原來的ams公司產品最為人熟知的的一個應用領域。但艾邁斯半導體集團大中華區(qū)銷售和市場高級副總裁陳平路在演講中強調，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達到3萬的規(guī)模。其中工業(yè)、汽車和醫(yī)療領域上占了63%的營收。
“在所半導體行業(yè)，特別是光學傳感器領域，我們應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，而成為光學傳感器解決方案領域的卓越領導者則是我們新公司的目標”，陳平路告訴記者。
