一文讀懂｜什么是dToF激光雷達(dá)技術(shù)？

兩種ToF技術(shù)：iToF和dToF

iToF方案并不直接測量飛行時間，通常做法是把發(fā)射的光波調(diào)制成一定頻率的周期性信號，通過測量發(fā)射信號和該信號經(jīng)過被測物反射回來到達(dá)接收端時的相位差，間接計(jì)算出光的飛行時間。盡管使用現(xiàn)有的光電二極管（PD）組件比較容易實(shí)現(xiàn)，但是由于光電探測器的效率低，很難測量到相距幾米以上物體的距離。

iToF的優(yōu)點(diǎn)是原理、集成較簡單、技術(shù)較成熟；缺點(diǎn)是精度隨距離下降嚴(yán)重、功耗大、易受干擾。目前，華為、OPPO、vivo等廠商普遍采用此方案。

dToF方案則是通過發(fā)出短脈沖光然后測量發(fā)射的光返回所需的時間來檢測與物體的距離。相對iToF來，dToF的發(fā)射端通常使用納秒甚至皮秒級的短脈沖激光，此外dToF需要探測器在光子到達(dá)時刻立刻做出反應(yīng)，因此接收端通常選擇SPAD（單光子雪崩二極管）或者APD（雪崩光電二極管）這類適合進(jìn)行事件記錄的傳感器。

dToF的優(yōu)點(diǎn)是測量精準(zhǔn)、響應(yīng)快速、低功耗以及多物體同步檢測準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是工藝較復(fù)雜，集成難度高。

智能手機(jī)中的3D圖像傳感器的數(shù)量顯著增加，但它們大部分都安裝在手機(jī)的背面，因?yàn)檫@樣使用應(yīng)用程序比正面更靈活。安裝在背面的3D圖像傳感器應(yīng)該能夠測量5到10米以上的距離，因此有競爭力的研究基于SPAD的dToF技術(shù)非常重要。

實(shí)際上，根據(jù)關(guān)于2020年ToF圖像傳感器市場的研究，估計(jì)到2025年iToF傳感器的年均增長率將達(dá)到11％，而dToF傳感器的年均增長率將達(dá)到37.3％，是iToF傳感器的三倍以上。

dToF：下一代3D圖像傳感器的關(guān)鍵

去年，蘋果公司是第一家在背面添加dToF傳感器的智能手機(jī)提供商，該傳感器配備在iPad Pro和iPhone 12 Pro上。蘋果公司使用Sony的SPAD元件和處理技術(shù)來開發(fā)傳感器，并將其稱為LiDAR（光檢測和測距）掃描儀，以使該技術(shù)與現(xiàn)有傳感器區(qū)分開。

LiDAR主要由兩部分組成：發(fā)射端和接收端。其中，垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）作為發(fā)射端，向物體發(fā)射一束紅外光，經(jīng)反射被 CMOS 圖像傳感器接收，光束經(jīng)歷的這一段時間就是所謂的“飛行時間（ToF）”。

對于AR體驗(yàn)來說，LiDAR激光雷達(dá)掃描儀的加入可謂是至關(guān)重要。具體來說，LiDAR激光雷達(dá)掃描儀通過測量周圍環(huán)境深度信息，可以將3D模型精準(zhǔn)附著于地面、墻面或者桌面等任何平面上，并分析整個攝像頭視野內(nèi)的空間位置關(guān)系來動態(tài)調(diào)節(jié)模型的光照和陰影，從而讓體驗(yàn)更加真實(shí)，再也不會尷尬的“穿?！绷?。

dToF核心組件主要有VCSEL、單光子雪崩光電二極管SPAD以及時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）。dToF會在單幀測量時間內(nèi)發(fā)射和接收N次光信號，然后對記錄的N次飛行時間做直方圖統(tǒng)計(jì)，其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時間ToF用于計(jì)算目標(biāo)距。

· SPAD（single photon avalanche diode，單光子雪崩二極管）這是一種能在ps級的時間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)電流的器件，其工作原理是采用反向偏壓的光電二極管，使其工作在超過擊穿電壓而尚未擊穿的很小的一個電壓范圍內(nèi)，此時的二極管處在非常敏感的工作區(qū)間，因此只要有微弱的光信號即可引發(fā)其產(chǎn)生雪崩電流，相應(yīng)速度極快。

· TDC（time digtal converter， 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路）通過與發(fā)射端的時間同步，接受到的光信號能夠在ps級的時間內(nèi)產(chǎn)生電流并被TDC探測記錄，經(jīng)過N次的發(fā)射與接收，TDC能夠記錄n次（n<N）光飛行時間，于是生成一個關(guān)于飛行時間分布的直方圖，求其出現(xiàn)頻率最大的飛行時間值即為目標(biāo)值t，z=c*t/2，即得距離。

dToF的技術(shù)難點(diǎn)

在具體的實(shí)現(xiàn)上，dToF相較于iToF來說難度要大許多。dToF的難點(diǎn)在于要檢測的光信號是一個脈沖信號，因此檢測器對于光的敏感度比需要非常高。常見的dToF傳感器實(shí)現(xiàn)是使用SPAD。

當(dāng)將高于擊穿電壓的電壓施加到SPAD時，發(fā)生碰撞電離現(xiàn)象，其中巨大的電場使載流子加速，從而使它們與原子發(fā)生碰撞，從而增加了從原子釋放的自由載流子的數(shù)量。這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增，會導(dǎo)致由圖像傳感器照亮的光子產(chǎn)生大量的自由載流子。這意味著它可以放大光子并將其識別為更多的光子，即使由于黑暗的環(huán)境或遠(yuǎn)距離發(fā)光而實(shí)際捕獲的光子數(shù)量很少。

另外，由于SPAD陣列在光子進(jìn)入時會發(fā)射數(shù)字脈沖，因此更容易跟蹤飛行時間。此外，它還可以捕獲精確的時間差，因此即使在毫米和厘米的范圍內(nèi)，也可以確定精確的深度分辨率。

從器件角度來看，SPAD的集成度要低于普通的CMOS光傳感器，因此dToF傳感器的2D分辨率傳統(tǒng)上較差。

此外，從讀出電路來看，dToF需要能分辨出非常精細(xì)的時間差，通常使用TDC來實(shí)現(xiàn)。例如如果需要實(shí)現(xiàn)1.5cm的測距精度，則TDC的分辨率需要達(dá)到10ps，這一點(diǎn)并不容易。

隨著近幾年深度傳感器和LiDAR的發(fā)展，dToF也得到了長足的發(fā)展。從光傳感器像素來看，dToF目前也可以使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，并且已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不錯的2D分辨率。此外，在TDC電路設(shè)計(jì)方面，隨著電路設(shè)計(jì)的進(jìn)步，目前在CMOS電路中的TDC的時間分辨率精度也在逐步提升，這也為dToF的普及鋪平了道路。

dToF的熱點(diǎn)應(yīng)用

預(yù)測自2024年起，用于自動駕駛汽車的LiDAR傳感器將引領(lǐng)3D圖像傳感器市場的增長。在車載應(yīng)用中，dToF的關(guān)鍵指標(biāo)包括測距距離、距離分辨率、2D分辨率以及抗干擾性。由于車載LiDAR對于測距距離（100m以上）和抗干擾性的要求，相關(guān)的ToF傳感器基本是dToF占主導(dǎo)。

同時，dToF傳感器有望在機(jī)器人和無人機(jī)等下一代移動性行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮不可或缺的作用。亞馬遜的物流機(jī)器人和無人機(jī)送貨服務(wù)就是一個很好的例子。dToF傳感器在工廠自動化領(lǐng)域也被認(rèn)為是必不可少的。

另外，一個重要的領(lǐng)域是消費(fèi)電子。隨著AR/VR等新應(yīng)用的興起，消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)τ谏疃葌鞲衅鞯男枨笠苍诳焖偕仙?。消費(fèi)電子領(lǐng)域傳統(tǒng)上是iToF的天下，然而隨著dToF技術(shù)，尤其是高集成度CMOS SPAD的發(fā)展，我們看到dToF正在從高端進(jìn)入消費(fèi)電子市場。

如前面的技術(shù)分析，對于消費(fèi)電子應(yīng)用來說，使用dToF的主要優(yōu)勢是可以同時實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的測距距離和較高的測距精度，因此當(dāng)需要把測距距離擴(kuò)展到10米以上時，dToF有可能會成為更好的選擇。

此外由于dToF對于環(huán)境光干擾較不敏感，所以使用dToF可以讓智能設(shè)備的深度傳感工作在不同光照強(qiáng)度的場景下。此番蘋果iPad pro選擇使用dToF，除了在測距精度和抗干擾的考量之外，估計(jì)也是因?yàn)橄Ｍ芾^續(xù)擴(kuò)大測距范圍，從而為下一代AR/VR應(yīng)用鋪平道路。

dToF技術(shù)的應(yīng)用有望推動AR內(nèi)容的完善，加速消費(fèi)級AR普及。蘋果2017年便針對開發(fā)者們發(fā)布了用于iOS設(shè)備上AR應(yīng)用開發(fā)的ARKit開發(fā)工具，2020年發(fā)布的iPad Pro可視為蘋果針對5G時代AR領(lǐng)域的進(jìn)一步布局。

目前iPad Pro的LiDAR共呈現(xiàn)出三種典型場景的應(yīng)用。AR測量、AR游戲和AR裝修設(shè)計(jì)。

· AR測量：LiDAR可以快速計(jì)算人的身高，并展現(xiàn)垂直和邊緣引導(dǎo)線。通過開發(fā)者開發(fā)的app可實(shí)現(xiàn)對物體尺寸、建筑物更精細(xì)的測量。

· AR游戲：LiDAR通過對周圍真實(shí)環(huán)境的掃描和快速獲得深度信息能力，為AR游戲開辟了更廣闊的設(shè)計(jì)空間。如官網(wǎng)展示的《熾熱熔巖 (Hot Lava)》電子游戲，可以把客廳變成一個虛擬的熔巖環(huán)境，游戲中的玩家可以跳到家具上以此來避開模擬中的地板熔巖。iPad Pro上市后帶動開發(fā)者不斷豐富iOS平臺上AR游戲內(nèi)容，也使一些原有的AR游戲因?yàn)橥娣ㄉ壎哂猩Α?/p>

· AR裝修：iOS上的Shapr3D app，借助LiDAR對房間進(jìn)行掃描創(chuàng)建3D模型，用戶可以對該模型展開編輯或添加新對象，使用AR可以查看實(shí)際房間在編輯后的虛擬效果，幫助用戶在裝修動工前更真切體驗(yàn)設(shè)計(jì)效果。宜家Place應(yīng)用同樣可以通過掃描一個房間獲得與之匹配的家具推薦，然后使用AR查看家具擺放效果。

dToF在iPad Pro上的應(yīng)用，可以視為蘋果打通AR生態(tài)硬件基礎(chǔ)的第一步。未來蘋果通過技術(shù)改進(jìn)和突破，有望將dToF引入手機(jī)端以及更多的AR設(shè)備，促進(jìn)AR硬件設(shè)備的發(fā)展同時，也激發(fā)設(shè)計(jì)師基于dToF的特性開發(fā)如建筑、教育、醫(yī)療等更多場景的AR內(nèi)容應(yīng)用，推動AR應(yīng)用生態(tài)持續(xù)完善。

目前來看，其實(shí)dToF在多種領(lǐng)域都已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，像距離檢測在掃地機(jī)器人上的應(yīng)用、接近傳感在筆記本等大屏幕鎖屏解鎖的應(yīng)用、工廠中的安全距離檢測、無人機(jī)穩(wěn)定降落以及碰撞檢測等等。只要是對于距離有絕對精準(zhǔn)測量需求的應(yīng)用場景，都能用到dToF。同時對于光學(xué)元件普遍難題 —— 油污也能夠做到很好的抑制，而這對于iToF而言幾乎無法解決，dToF則能夠?qū)⒂绊懡档阶畹汀?/p>

dToF在未來它會取代iToF成為移動端設(shè)備的首選技術(shù)嗎？按照以往慣例，在蘋果擁抱dToF技術(shù)后，很有可能會引起供應(yīng)鏈密集跟進(jìn)布局。這對于現(xiàn)有的ToF廠商而言，或許是行業(yè)競爭加劇的先兆，他們又該如何面對？

dToF與iToF作為ToF技術(shù)中的兩個分支，各自具有不同的技術(shù)特性，在不同的應(yīng)用場景都將有各自的發(fā)揮空間。目前的dToF技術(shù)在較遠(yuǎn)距離有更低的功耗和相對一致的精度值，但的確還存在精度不夠，解像度不夠和高成本的問題，因此可能會在手機(jī)后置上有一定的應(yīng)用機(jī)會。