深度丨為何iPhone 12 Pro高調(diào)官宣代言dToF？

隨著人臉識(shí)別等應(yīng)用的火爆，ToF作為3D傳感的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)，一夜之間近乎成為各大手機(jī)品牌的標(biāo)配。蘋果卻是個(gè)特例，對(duì)此熱潮一直持觀望態(tài)度，直到2020年才正式入場(chǎng)。

然而，蘋果的選擇，卻并非此前大行其道的iToF，而是更為創(chuàng)新、難度更大的dToF技術(shù)。不僅止于3月的iPad Pro應(yīng)用，新近發(fā)布的iPhone 12 Pro/ Pro Max也都采用了dToF，可以說(shuō)，蘋果通過(guò)此舉，正式向全天下昭告堅(jiān)定站隊(duì)dToF。

為什么dToF會(huì)成為蘋果的心頭好？除了手機(jī)，它還有什么極具發(fā)展空間的應(yīng)用預(yù)期？對(duì)此，ams可算是最有發(fā)言權(quán)——ams是目前業(yè)內(nèi)唯一擁有3D傳感三種主流全技術(shù)（結(jié)構(gòu)光、雙目立體視覺(jué)和飛行時(shí)間ToF）的傳感器領(lǐng)導(dǎo)廠商，且一年前剛推出了全球體積最小dToF模塊（戳視頻可詳細(xì)了解）。
?

ams大咖談dToF的工作原理及應(yīng)用前景

dToF技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和核心要點(diǎn)

dToF技術(shù)屬于1D ToF的一種，也就是對(duì)一個(gè)深度點(diǎn)提供精準(zhǔn)測(cè)距。目前，1D ToF已廣泛應(yīng)用于：距離檢測(cè)，如掃地機(jī)器人；接近傳感，擴(kuò)展至筆記本電腦等更大屏幕的鎖屏和解鎖，以及自動(dòng)化工廠中的安全距離檢測(cè)，即用于工人與機(jī)器人近距離協(xié)同工作時(shí)控制安全距離；Trigger Sensing，用于無(wú)人機(jī)做室內(nèi)天花板/地面迫近檢測(cè)，以及商場(chǎng)中觸發(fā)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門等。可以說(shuō)，只要對(duì)距離有精確測(cè)量需求的場(chǎng)景，就需要用到1D ToF。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式來(lái)分，1D ToF有兩種，一是直接測(cè)距dToF，即通過(guò)發(fā)射、接收光并測(cè)量光子飛行時(shí)間從而確定距離；二是市面上很成熟的非直接測(cè)距iToF，即通過(guò)測(cè)量發(fā)射波形和接收波形間的相位差換算飛行時(shí)間從而確定距離。在具體實(shí)現(xiàn)上，dToF的難度更大，主要在于檢測(cè)器需要對(duì)光敏感度比非常高，以便精準(zhǔn)捕捉極為微弱的光脈沖信號(hào)（常見(jiàn)為使用SPAD來(lái)實(shí)現(xiàn)）；同時(shí)，還需要能精細(xì)分辨細(xì)微的時(shí)間差（皮秒級(jí)，通常使用TDC來(lái)實(shí)現(xiàn)）。相比于iToF，dToF具有True-distance，快速響應(yīng)、低功耗、抗光干擾以及多物體同步精確檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，獲得越來(lái)越多的青睞。

蘋果指出，Pro機(jī)型中搭載dToF后，通過(guò)場(chǎng)景檢測(cè)和多對(duì)象檢測(cè)的可靠距離測(cè)量、背景虛化、觸摸對(duì)焦，以及弱光條件下也能實(shí)現(xiàn)的快速自動(dòng)對(duì)焦，攝像頭應(yīng)用變得更加強(qiáng)大。憑借dToF對(duì)光干擾不太敏感的特性，蘋果不僅將其用于輔助自動(dòng)對(duì)焦，同時(shí)還在視頻拍攝和夜間模式中起到物體探測(cè)的作用。更重要的是，基于這些先進(jìn)特性，蘋果正光速將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR/VR應(yīng)用）帶入全新境界。

ams 1D ToF主打產(chǎn)品分析

作為dToF傳感器的先行者和倡導(dǎo)者，ams推出的TMF8xxx系列，主打兩款為成熟的TMF8701和2019年底發(fā)布的升級(jí)版TMF8801，基于ams專有的單光子雪崩二極管（SPAD）像素設(shè)計(jì)和具有極窄脈寬的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （TDC），可實(shí)時(shí)測(cè)量光子的直接飛行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)確定物體的距離。（具體dToF技術(shù)原理，詳見(jiàn)篇首視頻講解）

TMF8701有兩種工作模式：0-10cm 接近/遠(yuǎn)離檢測(cè)，可用于啟動(dòng)顯示屏傳感器和關(guān)閉人臉識(shí)別系統(tǒng)；10-60cm準(zhǔn)確距離測(cè)量，可用于觸發(fā)更高功耗的人臉識(shí)別系統(tǒng)。TMF8701能夠以低功率運(yùn)行，在以10Hz頻率采樣時(shí)，接近傳感模塊耗能僅為940μA，非常適合保持常開(kāi)，作為智能手機(jī)臉部識(shí)別系統(tǒng)的喚醒器件。相形之下，TMF8801的提升主要在于工作距離的擴(kuò)展，可遠(yuǎn)至2.5m。

ams的dToF傳感器TMF8xxx系列，有如下5大優(yōu)勢(shì)（直方圖作用機(jī)制、產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比等，請(qǐng)看視頻），即：

多路徑干擾抑制，即SPAD秒表計(jì)時(shí)的精確控制和直方圖機(jī)制，可最大限度降低多路徑效應(yīng)影響；

卓越的油污抑制；

人眼安全檢測(cè)，已通過(guò)1級(jí)人眼安全認(rèn)證；

環(huán)境光高抗干擾性，集成了光學(xué)濾波器，可以消除強(qiáng)光如太陽(yáng)光中的紅外部分，把干擾降到最低；

芯片尺寸小，比市面成熟產(chǎn)品節(jié)省33%的空間。

抑制光干擾是光電設(shè)計(jì)中非常重要且極具挑戰(zhàn)性的工作，ams給出TMF8x01光設(shè)計(jì)指南如下：

空氣間隙（airgap），即Sensor的下表面到蓋板玻璃的下表面的間距，建議為0.3-0.6mm；

玻璃厚度0.55mm；

發(fā)射端和接收端的玻璃開(kāi)孔孔徑分別為1.5和1.1mm；

擋墻設(shè)計(jì)；

蓋板上的油墨建議為85%透過(guò)率的紅外油墨；

組裝公差建議為+/-0.20mm。

1D ToF應(yīng)用案例深度分享

在蘋果將dToF用于輔助自動(dòng)對(duì)焦、不同光照下物體精準(zhǔn)探測(cè)、用于提升AR/VR應(yīng)用體驗(yàn)之前，在智能手機(jī)中，1D ToF主要用于前置3D傳感面部識(shí)別系統(tǒng)。

這里，以基于1D ToF等傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的Attention Aware功能為例，介紹下1D ToF的工作。Attention Aware功能可以用于記錄用戶在不同應(yīng)用上的有效時(shí)間，幫助用戶優(yōu)化其時(shí)間分配，同時(shí)，也可作為廣告客戶對(duì)眾多應(yīng)用的投放參考。

具體的生效流程如下：

手機(jī)非鎖定狀態(tài)；

低功耗的1D ToF保持常開(kāi)狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行存在檢測(cè)及人臉距離檢測(cè)；

人臉在工作范圍內(nèi)，喚醒功耗更高的泛光燈+紅外攝像去做2D的臉部和眼睛監(jiān)測(cè)；

如用戶注意力監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)未檢測(cè)到人臉、眼睛轉(zhuǎn)向他處、閉眼過(guò)長(zhǎng)時(shí)間等，即可判定用戶注意力不在手機(jī)上，則手機(jī)屏幕可在20秒內(nèi)關(guān)閉。

3D人臉識(shí)別+Attention Aware的工作流程則略有擴(kuò)展。在常開(kāi)狀態(tài)的1D ToF檢測(cè)通過(guò)、喚醒泛光燈及紅外攝像后，做頭部、眼部檢測(cè)及距離檢測(cè)，通過(guò)后才喚醒高耗能的3D成像來(lái)進(jìn)行臉部深度信息采樣，比對(duì)通過(guò)后解鎖。

需要留意的是，在3D提取臉部深度信息和特征信息做校驗(yàn)時(shí)，依然需要1D ToF做距離檢測(cè)，以提供臉部距離給3D做距差還原后進(jìn)行比對(duì)。這是因?yàn)?，?dāng)人臉離屏幕的距離與掃描入庫(kù)時(shí)的規(guī)范距離不一致的時(shí)候，臉部會(huì)略有些變形，需要在比對(duì)時(shí)做還原處理。通過(guò)這樣縝密的人臉識(shí)別進(jìn)行解鎖，能夠提升解鎖系統(tǒng)的安全性。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，集成1D ToF的3D識(shí)別系統(tǒng)，1次解鎖流程可節(jié)能超70%。更需留意的是，未集成1D ToF的3D識(shí)別系統(tǒng)有效工作距離更窄，由正常的20-60cm縮減為25-40cm，用戶體驗(yàn)更差（具體講解，請(qǐng)查閱開(kāi)篇視頻）。

蘋果對(duì)dToF的創(chuàng)新應(yīng)用將隨著這些高端產(chǎn)品逐步為廣大用戶所接受，業(yè)內(nèi)追隨者必將步步緊跟，從而在消費(fèi)電子領(lǐng)域掀起一股熱潮，一如早些年的iPhone、近兩年的AirPods。站在新一輪風(fēng)口的你，準(zhǔn)備好了嗎？！