在2020年春季的發(fā)布會(huì)上，蘋(píng)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(dá)更成為大家討論的熱點(diǎn)。按照蘋(píng)果說(shuō)法，這個(gè)特制的激光雷達(dá)掃描儀利用直接飛行時(shí)間 （dToF）測(cè)量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠(yuǎn)五米處反射回來(lái)的光。它可從光子層面進(jìn)行探測(cè)，并能以納秒級(jí)速度運(yùn)行，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及更廣泛的領(lǐng)域開(kāi)啟無(wú)盡可能。來(lái)到秋季發(fā)布會(huì)上，蘋(píng)果同樣為其新一代的iPhone 12 Pro引入了同樣的激光雷達(dá)。
雖然包括筆者在內(nèi)的大多數(shù)人對(duì)于這種3D成像技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用并沒(méi)有太直觀的體驗(yàn)（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(píng)果的投入和整個(gè)手機(jī)陣型的反應(yīng)看來(lái)，ToF無(wú)疑是一個(gè)更優(yōu)的選擇。
日漸升溫的ToF
業(yè)內(nèi)知名分析機(jī)構(gòu)Yole 最新發(fā)布的一份報(bào)告預(yù)測(cè)，ToF 3D成像和傳感產(chǎn)業(yè)在未來(lái)五年將有爆發(fā)式增長(zhǎng)，其在 2019 年的市場(chǎng)收入為 6.46億美元，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 42 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 36.8%。他們進(jìn)一步指出，越來(lái)越多的智能手機(jī)廠(chǎng)商選擇在旗艦機(jī)中使用 ToF 攝像頭， 促進(jìn)了 3D 成像和傳感技術(shù)在智能手機(jī)行業(yè)的落地與發(fā)展。Yole更是預(yù)測(cè) ToF 的市場(chǎng)收入會(huì)在 2021 年超過(guò)結(jié)構(gòu)光，5 年內(nèi)將有過(guò) 6 億部智能手機(jī)裝配 ToF 傳感器。
所謂ToF，也就是Time of Flight，即是時(shí)間飛行。其具體的工作原理是ToF 傳感器通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)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(guò)發(fā)射光與接收光的相位差或者時(shí)間差來(lái)計(jì)算深度信息。
時(shí)間飛行測(cè)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(guò)發(fā)射特定頻率的調(diào)制光，檢測(cè)反射調(diào)制光和發(fā)射調(diào)制光之間的相位差測(cè)量飛行時(shí)間；dToF則是通過(guò)直接向測(cè)量物體發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后測(cè)量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時(shí)間間隔，從而得到光的飛行時(shí)間，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的深度。
“從當(dāng)前ToF行業(yè)現(xiàn)狀來(lái)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(dá)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(shí)場(chǎng)景中存在復(fù)雜的漫反射甚至鏡面反射，進(jìn)而使得測(cè)量值變大，嚴(yán)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(yuǎn)距離精度等方面有著明確的優(yōu)勢(shì)，是遠(yuǎn)距離應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)?！?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/ams" target="_blank">ams的3D產(chǎn)品線(xiàn)的高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理Sarah Cheng早日前的一場(chǎng)媒體會(huì)上告訴記者。
Sarah Cheng進(jìn)一步指出，一方面，dToF方案能夠帶來(lái)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(dá)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(huì)是沉浸式AR的基礎(chǔ)；
其次，dToF的低功耗運(yùn)行對(duì)于手機(jī)等應(yīng)用尤為重要，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證3D在連續(xù)操作的同時(shí)，還能確保正常的手機(jī)續(xù)航力；
再者，dToF能提供穩(wěn)定的幀屏來(lái)允許3D攝像頭與其他相機(jī)的圖像融合，而高幀率和高質(zhì)量的深度圖同時(shí)也可以減少重建的時(shí)間。
“dToF所具備的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)都是打造更沉浸式AR體驗(yàn)的關(guān)鍵”，Sarah Cheng表示。
“雖然dToF是遠(yuǎn)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(yuǎn)，所以仍需較長(zhǎng)時(shí)間的打磨。但ams在歷經(jīng)了長(zhǎng)時(shí)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。”Sarah Cheng補(bǔ)充說(shuō)。
領(lǐng)先的堆棧式方案
從Sarah Cheng的介紹我們得知，憑借著ams獨(dú)有的、在各個(gè)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(dú)到的人眼安全集成、自主系統(tǒng)設(shè)計(jì)，加上先進(jìn)中間件和算法，ams推出了領(lǐng)先的3D直接飛行時(shí)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(jī)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(diǎn)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(gè)設(shè)計(jì)，不但保證了遠(yuǎn)距離下在戶(hù)外的最佳性能，而其點(diǎn)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(zhǔn)的深度圖像輸出則可以最大減少手機(jī)廠(chǎng)商的集成工作量。
值得一提的是，ams的這個(gè)dToF方案使用的是堆疊架構(gòu)，這個(gè)設(shè)計(jì)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(dú)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(dú)特的VCSEL技術(shù)也為整套系統(tǒng)的高性能奠定了基礎(chǔ)。”Sarah Cheng強(qiáng)調(diào)強(qiáng)調(diào)。
她表示，在這套系統(tǒng)中，首先它是采用了一個(gè)基于ams自主IP設(shè)計(jì)的一個(gè)點(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)針對(duì)超短脈沖的優(yōu)化，連續(xù)保證了遠(yuǎn)距離、高精度、低平均功耗的同時(shí)，也降低了EMI輻射；最后，ams利用其特有的封裝設(shè)計(jì)使整套系統(tǒng)的傳熱性能達(dá)到最優(yōu)化，同時(shí)也在dToF系統(tǒng)層面集成了人眼安全特性，增加了最終平臺(tái)的人眼安全等級(jí)。
得益于這樣的設(shè)計(jì)，ams的這個(gè)dToF方案能獲得三個(gè)方面的差異化優(yōu)勢(shì)：
第一，它在所有光強(qiáng)條件下（強(qiáng)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(shí)現(xiàn)較大的距離檢測(cè)范圍和較高的（不變的）距離檢測(cè)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(qiáng)光的環(huán)境下仍然保持非常好的精度和性能；
第三，它針對(duì)移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化了最低的平均功耗。
“ams的dToF系統(tǒng)將會(huì)有1200個(gè)深度點(diǎn)，在室內(nèi)的測(cè)量距離可以達(dá)到10米以上，而室外強(qiáng)光下也可以達(dá)到5米的距離幀率最高可達(dá)100幀/秒，在30幀/秒的正常或特定環(huán)境下，ams可將功耗控制在300豪瓦以下，這對(duì)手機(jī)平臺(tái)來(lái)說(shuō)就非常的友好。”Sarah Cheng告訴記者。
在推動(dòng)產(chǎn)品逐漸成熟并走向量產(chǎn)化的同時(shí)，ams也在開(kāi)發(fā)與成熟生態(tài)系統(tǒng)廠(chǎng)商的協(xié)作，這包括基于高通平臺(tái)的安卓開(kāi)發(fā)板以及和國(guó)內(nèi)知名軟件商虹軟科技合作開(kāi)發(fā)提供最佳AR體驗(yàn)的一個(gè)dToF推進(jìn)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(jìn)中間件與軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)即時(shí)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(jiǎn)單地在移動(dòng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(jià)值的應(yīng)用，包括3D環(huán)境和物體掃描、攝像頭圖像增強(qiáng)，以及在黑暗條件下提供攝像頭自動(dòng)對(duì)焦輔助。雙方的合作方案更成為了安卓移動(dòng)設(shè)備在3D傳感系統(tǒng)領(lǐng)域的最佳選擇之一。
從消費(fèi)電子往工業(yè)和汽車(chē)延伸
在介紹3D ToF方案的時(shí)候，ams方面多次提到，這個(gè)產(chǎn)品不但能夠應(yīng)用在包括手機(jī)在內(nèi)的消費(fèi)電子領(lǐng)域，這也是原來(lái)的ams公司產(chǎn)品最為人熟知的的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。但艾邁斯半導(dǎo)體集團(tuán)大中華區(qū)銷(xiāo)售和市場(chǎng)高級(jí)副總裁陳平路在演講中強(qiáng)調(diào)，在與歐司朗并購(gòu)之后，公司加快了從消費(fèi)電子到工業(yè)和汽車(chē)電子的延伸。
陳平路表示，新的艾邁斯半導(dǎo)體集團(tuán)擁有超過(guò)5000多個(gè)研發(fā)工程師，眾多的客戶(hù)群體，全球的員工更是已經(jīng)達(dá)到3萬(wàn)的規(guī)模。其中工業(yè)、汽車(chē)和醫(yī)療領(lǐng)域上占了63%的營(yíng)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(shuō)是唯一一家可以提供全平臺(tái)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(biāo)”，陳平路告訴記者。
