dToF姗姗来迟， 移动端应用还需解决两大问题

今年3月，苹果发布了新款iPad Pro，其中最大的升级就是搭载了苹果产品中首次出现的dToF，通过投射点阵，来获得更精准的3D场景信息，提升AR应用体验。而随着苹果秋季发布会的临近，产业链也传出iPhone12也将会搭载dToF LiDAR，加深AR布局。作为倒逼产业链的标杆，苹果这波操作让许多人萌生出“dToF取代iToF”的观点，事实真的如此吗？

ToF在智能手机端的应用早已屡见不鲜，发展到如今2020年，几乎所有高端旗舰机型上都标配上一枚ToF传感器。最初，这项技术被用于距离传感，厂商将ToF模组应用于手机前面板，作为通话熄屏功能的传感器，这可以追溯至2014年的黑莓passport、LG G3等机型。

在近几年，由于3D感测、拍照测距的需求提高，ToF在智能手机上有了更多的用武之地。目前市面上的手机ToF模组大多是采用iToF（indirect ToF）的方案，顾名思义，iToF的原理并不是直接测量光束的飞行时间。据华为Camera总工程师罗巍介绍，iToF一般是将发射的光波调制成一定频率的周期性信号，通过测量发射信号与信号到达被测端反射回来到接收端的相位差，间接计算出光的飞行时间，常见的方案有四步相移法和两步相移法等。

不过，因为iToF输出一帧深度图像时，需要采集多个相位的图像数据来计算相位差，所以iToF相对整体功耗比较高，而且提高深度图的帧率会比较困难。为了解决这些问题，iToF采用增加脉冲瞬时功率、多像素融合Binning的方式来提高信噪比，从而降低功耗，增大探测距离。iTof的优势是因为sensor的pixel相对较小（可以做到5um，甚至3.5um），所以分辨率可以做高。

在iToF广泛应用的这几年间，似乎一直都是“雷声大，雨点小”。无论是手机厂商还是调研机构，在不断吹捧ToF在手机领域的应用即将爆发同时，对于消费者而言ToF却并没有为他们带来特别明显的变化，相信没有人会单纯因为ToF的加入而选购一款手机吧。当然，这很大程度上是由于应用场景以及软件生态的匮乏，以致于ToF一直没有迎来真正意义上的市场“爆发”。

就在很多人觉得ToF略显鸡肋时，苹果推出的新iPad Pro上搭载的LiDAR又将ToF带到风口浪尖上。目前在ToF的技术路线上，大致可以分为iToF和dToF（direct ToF）两种方案，而iPad上的LiDAR就是后者。

对于iToF和dToF的区别，ams资深技术支持经理白燕恭表示，dToF在原理上其实相比iToF更简单直接。dToF的原理是利用从光源发射开始，到被测物体反射到接收端的过程时间除于以二，再乘上光速就能直接获得与被测物体的距离数据。

ams资深技术支持经理白燕恭

“相比于iToF，dToF主要有这几点优势：具有真正的距离检测、快速响应、低功耗以及对多物体检测的精确性。特别是iToF在检测多个物体时并不能够识别数量，只能反馈出一个距离中间值。”白燕恭补充到。

那么问题就来了，既然从原理上dToF甚至比iToF更为简单，那么为何直到今年iPad Pro上的应用，才让dToF正式进入到消费者视野中？

对此，炬佑智能科技有限公司CEO刘洋认为主要是成本以及应用场景两大原因，“根据现在的技术成熟度和导入的现状，dToF在成本上还是比iToF更高，在结构上会对发光部分的要求也更高，并因此在应用场景比较局限于较远距离的场景。在移动端，也是先以更加成熟和更加性价比高的iToF为主导入，因移动端对多传感的需求，包括苹果也开始在iPad Pro上尝试，dToF开始得到更多关注。其实dToF并不是新技术，也早在其它领域有应用，主要是更适用与较远距的场景。”

炬佑智能科技有限公司CEO刘洋

事实上，尽管看起来dToF原理相对简单，但实现的过程中，还会遇到很多难题。dToF主要由三大部分组成：发射端VCSEL、接收端SPAD（单光子雪崩二极管）、TDC（时间数字转换电路）。相比于iToF，dToF无论是在发射端还是在接收端都具有更高的要求。

对于发射端而言，VCSEL光源的功率直接影响到dToF的工作距离。要实现如iPad Pro一样5米左右的工作距离，就要提高VCSEL光源功率，或将脉冲周期缩短到ns级别，以提升瞬时功率。另一方面在接收端SPAD上，本身其工艺复杂、成本高，目前大多由国外厂商垄断，同时如何在有限的体积下提高其分辨率也有待解决。因此，难以小型化、成本高是导致dToF迟迟未能在移动端设备广泛应用于3D感测的主要原因。

而在手机ToF产品上，刘洋表示目前还是以SONY为主的国外供应链，炬佑智能也在积极与手机客户合作，特别是在推进其一些独有的TOF芯片和系统技术上。dToF方面，国内在关键的VCSEL和SPAD都在近期有所突破，比如西安电子科技大学朱樟明、杨银堂教授研究团队6月初发布的dToF SPAD激光雷达传感器芯片，单芯片上集成了核心感光器件SPAD整理及精准测距电路、多种测距精度优化和抗背景光干扰算法等功能，具有32×32×4分辨率、超30fps的刷新率，在200mW功耗下可以实现12-15米的远距离高精度探测，是目前报道中最远的dToF SPAD探测距离。

由此可见，随着未来市场需求的提高，以及更多玩家加入到dToF市场竞争中，dToF成本或将迅速拉低。但想要进一步与AR、人脸识别等应用相适配，仍需在小尺寸SPAD的分辨率上多下功夫。