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ToF技术的分岔路,是堆像素还是顾精度?

E4Life 2020-08-14 09:08 次阅读

(电子发烧友网报道 文/周凯扬)如今智能手机市场在摄像头方面的竞争仍处于白热化,除了摄像头、像素之争外,ToF摄像头的出场率也开始逐步提升。我们能接触到的ToF传感器只有手机摄像头这一种应用吗?各家的ToF方案又有何异同呢?
 
ToF作为三大主动式光学深度传感技术之一,另外两种分别是结构光和干涉测量。该技术主要用于中远距离的传感应用,我们也已经在汽车激光雷达中看到ToF的普及。据Markets and Markets最新报告显示,全球ToF传感器市场规模预计从2020年的28亿美元增长至2025年的69亿美元,复合年增长率将达到20%。
 
据市场调研公司Tech Systems Research的调查报告表示,全球ToF传感器去年的出货量在4700万左右,而这一数字将在今年增至1亿5500万,2021年预计达到2亿5500万。这其中最大的市场增长来源于自动驾驶/辅助驾驶对ToF传感器的需求增长,以及智能手机中3D ToF摄像头的日益普及,同时3D机器视觉系统在各行各业中的采用率提高,加之工业4.0的部署、国防与航空技术的发展,ToF传感器市场将在未来几年收获更大的机遇。


不同测距技术对比 / 电子发烧友网整理

 
在测距上,ToF与传统的超声波、红外三角测量、激光相比有着不小优势。不仅支持高读取频率和远距离测量,同样可以确保眼部保护以及多个传感器的混用,更重要的是不受环境光的影响。

dToF原理图

 
ToF摄像头是利用ToF测距法实现范围成像的产物,通过发射激光脉冲来测量物体与镜头间的距离。ToF技术本身也分为两种,一种是直接测量飞行时间的dToF,另一种是测量相位偏移的iToF,而后者还可以分为pToF(脉冲ToF)和cwToF(连续波ToF)等方法。

iToF原理图

 
与dToF相比,iToF系统集成难度低,但其精度也随之降低,并会随着距离增加持续降低。因此出于对测量距离与精度的要求,往往车载激光雷达中更常用dToF技术。

dToF和iToF对比 / 电子发烧友网整理

 
传统的ToF摄像模组分为五个部分:发光单元,光学元件,图像传感器,驱动器件与接口。其中发光单元往往会出于可见性的考量而选择红外光。
 
现在我们对ToF有了一个简要的了解,那么各个厂商又是如何落实自家的ToF方案的呢?
 
英飞凌(Infineon)

IRS2381C 3D图像传感器 / Infineon

 
英飞凌针对ToF图像传感器推出了自己REAL3™传感器,其中IRS2381C是专门针对消费级手机应用所研发的。早在IRS2381C基于高成本效益的标准英飞凌CMOS技术,目前已经入量产阶段。该传感器的高性能像素阵列对940nm红外光高度敏感,因此可以提供难以匹敌的室外表现。最高性能的像素阵列可达到224 x 172像素(38k),微透镜下可实现14µm的像素间距,同时该传感器支持背景光抑制(SBI),在强日光下每个像素都可以做到20倍的动态扩充。在4.4 x 4.8 mm的极小尺寸下,该传感器非常适合AR、计算机摄影、3D扫描重构等后置摄像头应用,也可用于安全的面部识别和自拍等场景。
 

IRS1125A 汽车级3D ToF传感器 / Infineon

 
除了消费级ToF传感器外,英飞凌还推出了针对汽车应用的3D ToF传感器,作为XENSIV™传感器产品线的一份子,同时也是符合车规标准的REAL3™传感器。这款封装为LFBGA-84的ToF传感器CIF分辨率达到352 x 288(约100k像素),还运用了扩频时钟技术(SSC)避免其它红外设备的干扰,并已通过AEC-Q100 grade 2认证。这款汽车ToF传感器更适合车内的应用场景,比如对乘客的舱内感知和驾驶者的手势控制等。
 
索尼(Sony)
 
作为全球领先的图像传感器厂商,索尼自然不免要在ToF市场分一杯羹,事实上索尼的ToF产品在各大市场的占有率也是难以撼动的。索尼于2015年收购了比利时厂商Softkinetic,正式进入ToF市场,并在2017年将其改名为索尼深度感知部门。索尼结合ToF技术和自研的背照射CMOS技术推出了DepthSense ToF传感器产品线,应用于手机、汽车、人机交互、机器人、游戏和物联网等市场。

iPad Pro激光雷达 / Apple

 
目前Vivo和华为都有部分机型加入了ToF摄像头以提升拍照性能,也都选用了索尼的iToF传感器方案,苹果在iPhone 11产品线上依然在使用结构光技术,但今年上半年推出的新款iPad Pro就用到了索尼定制的激光雷达,并运用了dToF技术,面向未来的增强现实扫描。据了解,苹果很有可能在下半年推出的iPhone 12 Pro Max中使用同样的激光雷达传感器,但苹果会不会采用ToF技术加强拍照效果也未可知。

Helios2 IP67 ToF 相机 / LUCID

除此之外,索尼的ToF传感器在物料处理和运输领域也有不小的应用前景。加拿大工业视觉相机的设计商与制造商LUCID Vision Labs(以下简称LUCID)在其下一代ToF相机Helios™2中使用了索尼的DepthSense™IMX556PLR背照式ToF图像传感器。该传感器的深度分辨率可达640 x 480,帧率可至60fps,LUCID不仅为其设计了IP67级别的防护,还可以提供亚毫米级的精度。
 
艾迈斯半导体

TMF8801 ToF传感器 / ams

 
艾迈斯的TMF8801是一款dToF的传感器,可以实现最近20mm,最远2500mm的目标探测距离,其测量精度高于5%,也不会碰上iToF的多路干扰和多检测物体的问题。TMF8801通过亚纳秒级别的光脉冲和一种抗混叠的“秒表”方法来测量往返的脉冲时间,从而提供高精度的深度图像精度。
 
基于其2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的单模块封装,非常适合作为手机镜头,通过激光检测(LDAF)远处物体来实现自动对焦。
 
迈来芯(Melexis

MLX75027 ToF传感器 / Melexis

 
迈来芯的主要ToF产品线是针对DMS(驾驶员监测)系统的汽车级ToF传感器。尽管自动驾驶技术发展迅猛,在没能真正实现L5级别的自动驾驶之前,对驾驶员的安全监测依然至关重要。迈来芯在近期与瑞士的一家3D眼动跟踪技术公司Eyeware合作,通过迈来芯的ToF传感器来实现可靠的视线与头部跟踪。
 
迈来芯的MLX75027汽车级VGA ToF传感器不仅提供一套完整的ToF方案,同样具有高达135个距离帧每秒的640x480深度分辨率。该传感器沿用了连续波ToF技术(cwToF),支持850nm和940nm两种波长,并通过了AEC-Q100 grade 2认证。这款传感器的定位是汽车应用,有手势控制、驾驶员监、骨架跟踪、人或障碍检测以及车流量监控等。据了解,迈来芯正在筹划第三代QVGA ToF传感器的推出,为客户提供更多分辨率与集成水平的选择。
 
炬佑智能(OPNOUS)
 
上海炬佑智能同样开发出了自己的ToF传感器系列,OPN8001/8008/8018,涵盖了100x100、320x240(QVGA)、640x480(VGA)的分辨率范围,帧率可选10/30/60 FPS,在5米的范围内可以做到1%的精度。炬佑智能在这些ToF传感器上使用了自研的脉冲混合式ToF技术。除ToF传感器之外,炬佑智能还有ISP芯片、模组和系统平台多条ToF产品线。在其产品规划路线图上,炬佑智能计划在今年推出1M分辨率的ToF传感器,并在2021年推出一体式动态易用的4D ToF方案。

ToF模组 / 炬佑智能

炬佑智能同样业界首创了智能校正技术(Smart Correction),对发光系统实现动态可控可调,使ToF性能大幅提高。据了解,这一技术会将ToF发光系统端的多个分离芯片集成到一起,并对ToF进行温度补偿,维持温度变化时传感器的准确度。
 
目前全球传感器厂商都在争抢ToF市场的蛋糕,三星从去年开始就已经在自家的旗舰机型上安装ToF传感器,意法半导体也推出了自己的FlightSense™ ToF传感器产品线,国内也有灵明光子这样的后起之秀。灵明光子声称面向消费电子的dToF单光子成像阵列(SPADIS)也于今年第二季度开始出货,未来随着3D集成的发展,dToF也有望达到iToF的像素水平。
 
考虑到对成本的控制和制造工艺难度上的原因,在未来的一段时间内iToF的产品依然将占据主流市场,并以达到VGA以上的像素为主。正是因为dToF的复杂程度和成本致使目前市场普及率不高,但在部分追求高精度的应用上依旧无法替代。再者我们已经看到了高度集成的趋势以及该方法的优势,未来dToF势必会逐步走向中端甚至是低端应用,同时兼具ToF的精度和像素。

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1是一款单芯片微功率高频升压型开关转换器IC,专为电池供电的手持式电子产品设计,负载高达600 mA。它集成了Sync-Rect,可提高效率并消除外部肖特基二极管。高开关频率(高达1.2 MHz)允许使用小尺寸,小尺寸电感器和输出电容器。当器件禁用时,从LX或BAT到OUT的内部传导路径被完全阻断,OUT引脚与电池隔离。此True-Cutoff功能可将关断电流降至50nA。 Ring-Killer还集成了消除非连续传导模式中的高频振铃。除此之外,低电池检测器,逻辑控制关断,循环周期电流限制和热关断为各种电池供电应用提供增值功能。所有这些功能都打开,静态电源电流通常仅为8.5μA。该器件采用紧凑型Micro8封装。 特性 高效率: 3.3 V输出为94% 2.0 V输入时200 mA - 2.5 V输入时500 mA时3.3 V输出时84% 高开关频率,高达1.2 MHz(未达到电流限制) 真正截止功能可降低器件关断电流通常50nA 不连续传导模式的反振铃杀手 高精度参考输出,1.2V 1 1.5%,当V OUT 时,可提供2.5mA负载电流> 3.3V 8.5μA的低静态电流 集成式低电池检测器 打开排水低 - 电池检测器输出 无负载时1.0V启...
发表于 07-30 02:02 160次 阅读
NCP1421 升压转换器 同步矩形 PFM DC-DC 600 mA 具有真正截止和环杀手

3D TOF深度剖析

这段时间以来,最热的话题莫过于iPhone X的Face ID,关于用它刷脸的段子更是满天飞。其实iPhone X 实现3D视觉刷脸是采用...
发表于 07-25 07:05 478次 阅读
3D TOF深度剖析

使用高速数据转换器的LIDAR脉冲飞行时间测量方法

描述             各种应用(如激光安全扫描仪、测距仪、无人机和制导系统)中都利...
发表于 10-09 08:37 1220次 阅读
使用高速数据转换器的LIDAR脉冲飞行时间测量方法

飞行时间技术的确切原理是什么?

嗨,我在互联网上搜索了飞行时间技术的确切原理,但我得到的答案在不同的网站上有所不同。我最近购买了VL53l0X传感器,我需要...
发表于 09-12 16:27 1177次 阅读
飞行时间技术的确切原理是什么?

OPT3101 基于 ToF 的远距离接近和距离传感器模拟前端 (AFE)

OPT3101器件是一种高速,高分辨率AFE,适用于基于飞行时间的连续波接近感应和测距。该器件集成了完整的深度处理管道,包括ADC,时序序列器和数字处理引擎。该器件还具有内置照明驱动器,可覆盖大部分目标应用供电的绝佳器件。 在高环境抑制比下,该器件可支持非常高的环境条件,包括130klux的全日照条件。 时序序列器具有高度可配置性,能够针对特定应用提供功耗与性能之间的折衷。 该器件提供包含相位,振幅和环境测量结果的深度数据。校准子系统支持相位数据校准,从而校准温度和串扰导致的不准确性 特性 接近感应和距离测量 与各种光电二极管和发射极兼容 在15毫不模糊的范围内具有16位距离输出 高达4kHz的采样率 200nA满标量程信号电流 1kHz时具有88dB信号相位动态范围 支持高达200μA的直流环境,60dB的环境抑制(1kHz时) 不依赖于物体反射率的距离测量 通过去混叠技术使距离范围扩展多达75m 由可编程序列发生器提供时序灵活性 自适应HDR节省功耗并扩展距离范围 可配置事件检测和中断输出机制 通过I 2 C接口实现控制和数据传输 集成照明驱动器,具有高达173.6mA的可编程电流控制能力 集成用于校准的温度传感器 内置串扰校...
发表于 08-17 15:13 305次 阅读
OPT3101 基于 ToF 的远距离接近和距离传感器模拟前端 (AFE)

OPT9221 OPT9221 飞行时间控制器

The time-of-flight controller (TFC) is a high-performance, 3D time-of-flight (ToF) sensor companion device that computes the depth data from the digitized sensor data. Depth data are output via a programmable complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) parallel interface. In addition to depth data, the TFC provides auxiliary information consisting of amplitude, ambient, and flags for each pixel. This information can be used to implement filters and masks and to dynamically control the system configuration for the intended performance. The TFC supports a wide range of binning and ROI options that help optimize the data throughput that must be handled. The 9-mm × 9-mm NFBGA package enables small form-factor, 3D, ToF systems that can be embedded into a variety of end equipment. 特性 QVGA 3D ToF控制器:最高120 FPS 深度数据: 12位相位 最高12位幅度 最高4位环境 饱和度检测 芯片组接口: 与TI ToF传感器兼容(OPT8241) 输...
发表于 08-06 17:19 159次 阅读
OPT9221 OPT9221 飞行时间控制器

OPT8241 OPT8241 3D 飞行时间传感器

OPT8241飞行时间(ToF)传感器属于TI 3D ToF图像传感器系列。该器件将ToF感应功能与经优化设计的模数转换器(ADC )和通用可编程定时发生器(TG)相结合。该器件以高达150帧/秒的帧速率(600读出/秒)提供四分之一的视频图形阵列(QVGA 320 x 240)分辨率数据。 内置TG控制复位,调制,读出和数字化序列。例如功率,运动稳健性,信噪比和环境消除)。 特性 成像阵列: 320×240阵列 1/3“光学格式 像素间距:15μm 高达150帧/秒 光学属性: 响应度:850nm时为0.35A /W 解调对比度:50MHz时为45% 解调频率:10MHz至100MHz 输出数据格式: 12位相位相关数据 4位共模(环境) 芯片集接口: 与TI的飞行时间控制器OPT9221兼容 传感器输出接口: CMOS数据接口(50MHz DDR,16通道数据,时钟和帧标记) LVDS: 600Mbps,3个数据对 1LVDS位时钟对,1LVDS采样时钟对 定时发生器(TG): 可编程感兴趣区域(ROI)的寻址引擎 调制控制 抗混叠 主/从同步操作 用于控制的I 2 C从接口 电源: 3.3VI /O,模拟 1.8V模拟,数字,I /O 1.5V解调(典型值) 经优化的光...
发表于 08-03 17:58 473次 阅读
OPT8241 OPT8241 3D 飞行时间传感器

OPT8320 80x60 QQQVGA 分辨率 3D 飞行时间传感器和控制器

OPT8320飞行时间(ToF)传感器是TI 3D ToF图像传感器系列的一部分。该设备具有高性能,高性能集成的,完整的片上系统(SoC),用于阵列深度传感,由通用定时发生器(TG),优化设计的模数转换器(ADC),深度引擎和照明驱动器组成。 内置TG的可编程性可灵活地优化各种深度感应性能指标[如功率,运动稳健性,信噪比(SNR)和环境消除]。内置深度引擎根据数字化传感器数据计算深度数据。除了相位数据之外,深度引擎还提供辅助信息,包括每个像素的幅度,环境和标志以及直方图形式的全阵列统计信息。 特性 成像阵列: 80×60阵列 1/6“传感器格式 像素间距:30μm 帧率:可扩展至1000-FPS深度输出率,内部原始速率为4000 FPS 光学特性: 响应度:在850 nm处0.35 A /W 解调对比度:50 MHz时70% 解调频率:10 MHz至100 MHz 输出接口: 数字视频端口(DVP):8个数据通道, HD和VD引脚,以及时钟 同步串行接口(SSI): 1数据通道,时钟和芯片选择 时序发生器: 传感器寻址引擎 ModulationControl 去混叠 Master,Slave SyncOperation 高动态范围操作 深度引擎: 像素分级 去混叠 直方图 ...
发表于 08-03 17:48 309次 阅读
OPT8320 80x60 QQQVGA 分辨率 3D 飞行时间传感器和控制器

【直播邀请】TI 传感器产品的前端处理及应用

亲爱的电子发烧友小伙伴们! 将介绍德州仪器传感器产品关于前端处理及应用,重点讲解 TI 单点 TOF 产品 OPT3101,O...
发表于 07-27 17:33 1181次 阅读
【直播邀请】TI 传感器产品的前端处理及应用