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一文讀懂|什么是dToF激光雷達技術?

作者:陳玲麗時間:2021-07-05來源:電子產品世界收藏

自2010年代初以來,3D圖像傳感器已在智能手機中使用,其功能包括AutoFocus和Proximity Sensing 。此外,在蘋果大力推廣了Face ID功能(3D面部識別技術,該技術于2017年首次在iPhone X上首次推出)之后,它作為一種引領智能手機創新的新形式而受到了廣泛關注。

本文引用地址:http://www.pfaennle.com/article/202107/426718.htm

3D圖像傳感器捕獲圖像的方式主要分為三種技術:立體視覺、結構光和飛行時間(ToF)。ToF進一步分為兩種技術,包括測量相位差的 Indirect ToF(iToF)和測量時間差的Direct ToF()。

兩種ToF技術:iToF和

iToF方案并不直接測量飛行時間,通常做法是把發射的光波調制成一定頻率的周期性信號,通過測量發射信號和該信號經過被測物反射回來到達接收端時的相位差,間接計算出光的飛行時間。盡管使用現有的光電二極管(PD)組件比較容易實現,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的優點是原理、集成較簡單、技術較成熟;缺點是精度隨距離下降嚴重、功耗大、易受干擾。目前,華為、OPPO、vivo等廠商普遍采用此方案。

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方案則是通過發出短脈沖光然后測量發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時刻立刻做出反應,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)這類適合進行事件記錄的傳感器。

dToF的優點是測量精準、響應快速、低功耗以及多物體同步檢測準確;缺點是工藝較復雜,集成難度高。

智能手機中的3D圖像傳感器的數量顯著增加,但它們大部分都安裝在手機的背面,因為這樣使用應用程序比正面更靈活。安裝在背面的3D圖像傳感器應該能夠測量5到10米以上的距離,因此有競爭力的研究基于SPAD的dToF技術非常重要。

實際上,根據關于2020年ToF圖像傳感器市場的研究,估計到2025年iToF傳感器的年均增長率將達到11%,而dToF傳感器的年均增長率將達到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元件和處理技術來開發傳感器,并將其稱為LiDAR(光檢測和測距)掃描儀,以使該技術與現有傳感器區分開。

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

對于AR體驗來說,LiDAR掃描儀的加入可謂是至關重要。具體來說,LiDAR掃描儀通過測量周圍環境深度信息,可以將3D模型精準附著于地面、墻面或者桌面等任何平面上,并分析整個攝像頭視野內的空間位置關系來動態調節模型的光照和陰影,從而讓體驗更加真實,再也不會尷尬的“穿模”了。

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dToF核心組件主要有VCSEL、單光子雪崩光電二極管SPAD以及時間數字轉換器(TDC)。dToF會在單幀測量時間內發射和接收N次光信號,然后對記錄的N次飛行時間做直方圖統計,其中出現頻率最高的飛行時間ToF用于計算目標距。

· SPAD(single photon avalanche diode,單光子雪崩二極管)這是一種能在ps級的時間內產生響應電流的器件,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,此時的二極管處在非常敏感的工作區間,因此只要有微弱的光信號即可引發其產生雪崩電流,相應速度極快。

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

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dToF的技術難點

在具體的實現上,dToF相較于iToF來說難度要大許多。dToF的難點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傳感器實現是使用SPAD。

當將高于擊穿電壓的電壓施加到SPAD時,發生碰撞電離現象,其中巨大的電場使載流子加速,從而使它們與原子發生碰撞,從而增加了從原子釋放的自由載流子的數量。這種現象稱為雪崩倍增,會導致由圖像傳感器照亮的光子產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,即使由于黑暗的環境或遠距離發光而實際捕獲的光子數量很少。

另外,由于SPAD陣列在光子進入時會發射數字脈沖,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,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分辨率傳統上較差。

此外,從讀出電路來看,dToF需要能分辨出非常精細的時間差,通常使用TDC來實現。例如如果需要實現1.5cm的測距精度,則TDC的分辨率需要達到10ps,這一點并不容易。

隨著近幾年深度傳感器和LiDAR的發展,dToF也得到了長足的發展。從光傳感器像素來看,dToF目前也可以使用CMOS工藝實現,并且已經可以實現不錯的2D分辨率。此外,在TDC電路設計方面,隨著電路設計的進步,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的熱點應用

預測自2024年起,用于自動駕駛汽車的LiDAR傳感器將引領3D圖像傳感器市場的增長。在車載應用中,dToF的關鍵指標包括測距距離、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,相關的ToF傳感器基本是dToF占主導。

同時,dToF傳感器有望在機器人和無人機等下一代移動性行業的發展中發揮不可或缺的作用。亞馬遜的物流機器人和無人機送貨服務就是一個很好的例子。dToF傳感器在工廠自動化領域也被認為是必不可少的。

另外,一個重要的領域是消費電子。隨著AR/VR等新應用的興起,消費電子領域對于深度傳感器的需求也在快速上升。消費電子領域傳統上是iToF的天下,然而隨著dToF技術,尤其是高集成度CMOS SPAD的發展,我們看到dToF正在從高端進入消費電子市場。

如前面的技術分析,對于消費電子應用來說,使用dToF的主要優勢是可以同時實現較遠的測距距離和較高的測距精度,因此當需要把測距距離擴展到10米以上時,dToF有可能會成為更好的選擇。

此外由于dToF對于環境光干擾較不敏感,所以使用dToF可以讓智能設備的深度傳感工作在不同光照強度的場景下。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,估計也是因為希望能繼續擴大測距范圍,從而為下一代AR/VR應用鋪平道路。

dToF技術的應用有望推動AR內容的完善,加速消費級AR普及。蘋果2017年便針對開發者們發布了用于iOS設備上AR應用開發的ARKit開發工具,2020年發布的iPad Pro可視為蘋果針對5G時代AR領域的進一步布局。

目前iPad Pro的LiDAR共呈現出三種典型場景的應用。AR測量、AR游戲和AR裝修設計。

· AR測量:LiDAR可以快速計算人的身高,并展現垂直和邊緣引導線。通過開發者開發的app可實現對物體尺寸、建筑物更精細的測量。

· AR游戲:LiDAR通過對周圍真實環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計空間。如官網展示的《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上市后帶動開發者不斷豐富iOS平臺上AR游戲內容,也使一些原有的AR游戲因為玩法升級而更具有生命力。

· AR裝修:iOS上的Shapr3D app,借助LiDAR對房間進行掃描創建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設計效果。宜家Place應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上的應用,可以視為蘋果打通AR生態硬件基礎的第一步。未來蘋果通過技術改進和突破,有望將dToF引入手機端以及更多的AR設備,促進AR硬件設備的發展同時,也激發設計師基于dToF的特性開發如建筑、教育、醫療等更多場景的AR內容應用,推動AR應用生態持續完善。

目前來看,其實dToF在多種領域都已經有廣泛應用,像距離檢測在掃地機器人上的應用、接近傳感在筆記本等大屏幕鎖屏解鎖的應用、工廠中的安全距離檢測、無人機穩定降落以及碰撞檢測等等。只要是對于距離有絕對精準測量需求的應用場景,都能用到dToF。同時對于光學元件普遍難題 —— 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則能夠將影響降到最低。

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

dToF與iToF作為ToF技術中的兩個分支,各自具有不同的技術特性,在不同的應用場景都將有各自的發揮空間。目前的dToF技術在較遠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,因此可能會在手機后置上有一定的應用機會。



關鍵詞: dToF 激光雷達

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