尤為值得一提的是，其中的距離傳感器實(shí)質(zhì)是SPAD(單光子雪崩二極管)構(gòu)成的——有關(guān)SPAD后文還會(huì)更具體地提及。至少，這顆模組里就已經(jīng)有了完整的ToF發(fā)射端和接收端。2016年意法半導(dǎo)體發(fā)布VL53L0，其中去除了環(huán)境光傳感器，SPAD陣列也發(fā)生了變化。雖然從現(xiàn)有拆解資料并不能確定，不過(guò)iPhone 7的前置光學(xué)模組實(shí)際上和VL53L0非常相似，只是更緊湊(圖2)。

在此，這顆ToF模組實(shí)際扮演的角色可能至少包括了距離感應(yīng)，以及應(yīng)用于前置攝像頭的精準(zhǔn)測(cè)距(對(duì)焦)。當(dāng)時(shí)意法半導(dǎo)體在宣傳資料中也有特別提及“第二代激光測(cè)距傳感器”VL53L0X，是“世界上最小的飛行時(shí)間測(cè)距傳感器”。意法半導(dǎo)體的ToF方案選擇的皆為SPAD技術(shù)，如最新VL53L1、V53L3以及VL53L5相較更早的產(chǎn)品提供相對(duì)更遠(yuǎn)的測(cè)距能力和更具彈性的軟件配置。目前的很多手機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品，多見(jiàn)意法半導(dǎo)體的激光對(duì)焦方案。

意法半導(dǎo)體大中華區(qū)及南亞區(qū)影像事業(yè)部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡表示：“過(guò)去5、6年時(shí)間，意法半導(dǎo)體的ToF傳感器出貨量超過(guò)了10億，應(yīng)用到了超過(guò)150款手機(jī)攝像頭中;另外當(dāng)然還有消費(fèi)級(jí)、工業(yè)級(jí)應(yīng)用，如平板、投影儀、機(jī)器人、閘機(jī)等?！?

到此便不難發(fā)現(xiàn)，ToF在電子科技領(lǐng)域，乃至窄化到移動(dòng)設(shè)備方向的應(yīng)用，就不僅是這兩年才出現(xiàn)的。如手機(jī)的距離感應(yīng)，攝像頭激光對(duì)焦這些前兩年的熱點(diǎn)，實(shí)則都是ToF的典型應(yīng)用。我們認(rèn)為，ToF技術(shù)這兩年又熱起來(lái)，大致與消費(fèi)市場(chǎng)的再炒作有關(guān);所謂的“應(yīng)用場(chǎng)景受限”“后勁乏力”從以上探討看來(lái)，也屬于絕對(duì)的偽命題，因?yàn)檫@片市場(chǎng)本來(lái)就非常繁榮。“從整個(gè)市場(chǎng)的角度來(lái)看，它和生活很接近，對(duì)于ToF效果的爭(zhēng)議，幾年前也早就結(jié)束了，現(xiàn)在大家都很認(rèn)可?！睆埑题f(shuō)。

在這種ToF光學(xué)測(cè)距的“單點(diǎn)”之外，這兩年ToF的火熱更來(lái)自于當(dāng)這些“單點(diǎn)”形成多點(diǎn)，甚至到“面”和深度圖(depth map)的時(shí)候，它在3D感知，以及對(duì)計(jì)算攝影的輔助。華為P/Mate系列手機(jī)、蘋果iPad Pro平板即是其后的典型應(yīng)用。這可能才是更多人關(guān)注的話題。

由點(diǎn)到面的ToF

在談今年移動(dòng)設(shè)備ToF發(fā)展前，有必要將ToF技術(shù)在光學(xué)測(cè)距技術(shù)中的存在位置做個(gè)梳理。這里我們主體上采用2001年 Optical Engineering(《光學(xué)工程》)一書中的分類方法，如下圖所示。

圖3，光學(xué)測(cè)距技術(shù)的分類，來(lái)源：T. Bosch, Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement, Optical Engineering

光學(xué)測(cè)距的方法整體上分成主動(dòng)和被動(dòng)兩種。其中被動(dòng)(Passive)包括了立體視覺(jué)(Stereoscopy，比如人們常說(shuō)的“雙攝測(cè)距”)、聚焦合成(Depth-from-Focus，典型的類似技術(shù)比如光場(chǎng)相機(jī));而ToF被歸類到主動(dòng)光學(xué)測(cè)距技術(shù)中——主動(dòng)技術(shù)還包括了三角測(cè)量(Triangulation，典型的如iPhone中Face ID的結(jié)構(gòu)光)、干涉量度分析法(interferometry)。

值得一提的是，這個(gè)分類方法或許仍然不夠全面。比如在不同切分維度中，三角測(cè)量這種方法本身就可以分成主動(dòng)和被動(dòng)兩種，雙攝測(cè)距的立體視覺(jué)就屬于被動(dòng)三角測(cè)距方案。再比如說(shuō)在被動(dòng)光學(xué)測(cè)距技術(shù)分類上，在深度方面做文章的不僅有depth from focus，還有depth from motion、depth from shape等。由于篇幅限制，我們無(wú)法展開探討各種技術(shù)的優(yōu)劣。這部分內(nèi)容將在我們未來(lái)發(fā)布的ToF行業(yè)與技術(shù)報(bào)告中更具體地闡述。

由于ToF技術(shù)這兩年異常受關(guān)注，ToF測(cè)距大方向分成dToF(直接ToF)與iToF(間接ToF)兩類也逐漸被更多的人所知。前文提到的ToF簡(jiǎn)化版原理，以及意法半導(dǎo)體的這類方案實(shí)際上說(shuō)的就是dToF，即發(fā)射端發(fā)射一個(gè)激光脈沖，在碰到場(chǎng)景中的對(duì)象后反射，回到接收端的傳感器——或者說(shuō)光電探測(cè)器。此間就有個(gè)“計(jì)時(shí)器”電路用于測(cè)量時(shí)間。從原理上來(lái)說(shuō)，dToF是一種十分直接的技術(shù)。不過(guò)由于這種技術(shù)對(duì)于光電探測(cè)器、光源和時(shí)間檢測(cè)相關(guān)電路有著很高的技術(shù)要求，所以其實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較晚。

也因此dToF所用的傳感器常見(jiàn)APD(雪崩光電二極管)——這種二極管有著較高的增益和量子效率，采用APD比較典型的ToF圖像傳感器廠商有松下。傳統(tǒng)的圖像傳感器，在單光子進(jìn)入到像素中以后一般僅轉(zhuǎn)為單電子，在光信號(hào)比較弱的時(shí)候，就有感光能力的問(wèn)題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，APD傳感器是實(shí)現(xiàn)電子倍增。

就脈沖調(diào)制光的方案來(lái)看，可采用較低工作周期的照明，主動(dòng)照明光可以短脈沖寬度以及高峰值輸出功率，同時(shí)兼顧人眼安全。由于峰值功率較高、SBNR(signal-to-background-noise ratio)也就極大提升，探測(cè)距離也就可以比較遠(yuǎn);而且APD可以避免多徑干擾之類的問(wèn)題。不過(guò)APD像素尺寸一般也非常大，要實(shí)施像素大陣列，或者說(shuō)高像素也就很有挑戰(zhàn)。很多選擇APD像素的ToF裝置也因此需要有包含機(jī)械動(dòng)作的掃描。這就不屬于我們要探討的移動(dòng)設(shè)備或者手機(jī)范疇了。