看一眼手機(jī)就自動(dòng)解鎖了，做個(gè)手勢(shì)機(jī)器就明白了，東西掉車上就自動(dòng)提醒了……日常生活中這些善解人意的機(jī)器或功能正在越來越多，其背后的科技推手則是飛行時(shí)間（time of flight， TOF）傳感器。

TOF是能夠識(shí)別場(chǎng)景及物體并創(chuàng)建3D視圖的一項(xiàng)智能感測(cè)技術(shù)。TOF傳感器通過測(cè)量光束到達(dá)物體和返回所用的時(shí)間來確定物體距離，所生成和捕獲的數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，可提供行人檢測(cè)，基于面部特征的用戶身份驗(yàn)證，以及使用SLAM（同時(shí)定位和映射）算法的環(huán)境映射等。

技術(shù)原理

ToF傳感器使用微型激光器發(fā)射紅外光，根據(jù)光束的發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差計(jì)算距離，再將形成的深度信息與傳統(tǒng)相機(jī)拍攝結(jié)合，呈現(xiàn)出以不同顏色表征距離的三維輪廓地形圖。

圖1.ToF測(cè)距成像原理

ToF測(cè)定距離和深度的方法有兩種：直接飛行時(shí)間(dToF)、間接飛行時(shí)間(iToF)。dToF方法可確定單個(gè)像素的距離。接收到的信號(hào)會(huì)經(jīng)過最終處理以觸發(fā)相應(yīng)的操作，例如進(jìn)行車輛規(guī)避操作，以避免與行人或障礙物相撞。這種方法稱為直接飛行時(shí)間(dToF)，因?yàn)樗c光束的確切“飛行時(shí)間”相關(guān)。自動(dòng)駕駛車輛的LiDAR系統(tǒng)就是典型的dToF應(yīng)用示例。間接飛行時(shí)間(iToF)方法類似，但有一個(gè)顯著的區(qū)別。來自光源（通常為紅外VCSEL）的照明被勻光片擴(kuò)大，并發(fā)射脈沖（50%占空比）到定義的視場(chǎng)。在下游系統(tǒng)中，如果光沒有遇到障礙物，存儲(chǔ)的“標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)”將在一段時(shí)間內(nèi)觸發(fā)探測(cè)器。如果物體中斷該標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，系統(tǒng)可根據(jù)所產(chǎn)生的相移和脈沖序列的時(shí)延，確定探測(cè)器每個(gè)定義像素的深度信息。

圖2.兩種主流TOF技術(shù)比較

飛行時(shí)間傳感器具有精確快速、長(zhǎng)距離和成本效益稿等特點(diǎn)，這是由激光的天然屬性決定的。因此，ToF傳感器具有靈活性，能夠檢測(cè)各種形狀和大小的近距離和遠(yuǎn)距離物體，并且不受濕度、氣壓和溫度的影響，適合于室內(nèi)和室外使用。

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

TOF傳感器堪稱機(jī)器人的“眼睛”，在汽車自動(dòng)駕駛、工業(yè)LiDAR系統(tǒng)和消費(fèi)電子領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭良好。在汽車領(lǐng)域，AR抬頭顯示（HUD）功能可以提供舒適且安全的駕駛體驗(yàn)。駕駛員可以通過基于AR的HUD查看投影在顯示屏上的虛擬信息。高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）可以利用基于AR的HUD顯示視覺警報(bào)。汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)AR HUD及投影的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了ToF傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。在炙手可熱的元宇宙中，VR系統(tǒng)也正越來越多地用于娛樂、教育、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域。VR可以幫助用戶在虛擬空間中模擬復(fù)雜的任務(wù)。通過在VR設(shè)備中利用ToF傳感器測(cè)量到物體的距離，用戶可以通過復(fù)雜而準(zhǔn)確的位置/運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，更輕松地在虛擬空間中獲得逼真的體驗(yàn)。在3D制圖、室內(nèi)導(dǎo)航、手勢(shì)識(shí)別、對(duì)象掃描等場(chǎng)景，TOF傳感器也在大顯身手。當(dāng)然，ToF傳感器也有一些局限性，這主要便現(xiàn)在：（1）散射光，如果非常明亮的表面離ToF傳感器很近，它們可能會(huì)將太多的光散射到您的接收器中，并產(chǎn)生偽影和不必要的反射，因?yàn)門oF傳感器只需要反射一次的光即可進(jìn)行測(cè)量。（2）多重反射。在角落和凹形上使用ToF傳感器時(shí)，它們可能會(huì)導(dǎo)致不必要的反射，因?yàn)楣饪赡軙?huì)多次反射，從而使測(cè)量失真。（3）環(huán)境光。在明亮的陽(yáng)光下戶外使用ToF相機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致戶外使用困難。這是由于陽(yáng)光的高強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致傳感器像素快速飽和，從而無法檢測(cè)到從物體反射的實(shí)際光。

領(lǐng)導(dǎo)廠商

目前，ToF傳感器市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)廠商主要有：德州儀器（Texas Instruments）、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、英飛凌（Infineon Technologies）、pmd Technologies、松下（Panasonic）、Teledyne Technologies、基恩士（Keyence）、夏普（Sharp）、索尼（Sony）、邁來芯（Melexis）、璦鐠瑞思（ESPROS）、艾邁斯半導(dǎo)體（ams）等。

表1.全球ToF傳感器市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)廠商及產(chǎn)品

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意法半導(dǎo)體（ST）早在幾年前就推出其第一代產(chǎn)品VL6180和VL53L0X，采用850nm的波長(zhǎng)激光，最大測(cè)距大于40cm。最新產(chǎn)品多合一VL53L5多區(qū)直接ToF傳感器模塊嵌入式MCU和加速器，最大測(cè)距距離可達(dá)4米，測(cè)距區(qū)域多達(dá)64個(gè)。德州儀器（TI）于2013年就發(fā)布過ToF技術(shù)，2017年發(fā)布了3D TOF圖像傳感器OPT8241芯片，主要應(yīng)用為3D掃描、手勢(shì)控制等等，其終端應(yīng)用在ATM、人數(shù)統(tǒng)計(jì)等等。邁來芯（Melexis）是全球五大頂級(jí)汽車半導(dǎo)體傳感器供應(yīng)商之一，在汽車市場(chǎng)有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可以說現(xiàn)在平均每輛車就有8顆邁來芯品牌的芯片。在汽車應(yīng)用中，傳感器數(shù)量越來越多，尤其是未來的自動(dòng)駕駛，只有配備大量的高精準(zhǔn)度的傳感器才能讓行駛更安全。在2017年，邁來芯推出了MLX75023 1/3英寸光學(xué)格式TOF傳感器，芯產(chǎn)品MLX75026、MLX75027提供VGA分辨率及處理功能。ams半導(dǎo)體專注于高性能傳感器解決方案，務(wù)范圍包括傳感器解決方案、傳感器IC、接口和相關(guān)軟件。ams在2017年收購(gòu)Princeton Optronics，加強(qiáng)3D成像、AR/VR及汽車應(yīng)用技術(shù)。最新產(chǎn)品為TMF8701、TMF8801集成了VCSEL紅外發(fā)射器、多個(gè)SPAD光探測(cè)器、TDC轉(zhuǎn)換器和直方圖處理內(nèi)核，即使傳感器孔徑臟污也能保持可靠性能。

圖3.AmsTMF8801單區(qū)dToF芯片功能框圖

索尼（SONY）是傳統(tǒng)CIS圖像傳感器制造商，原本在ToF市場(chǎng)并無涉足，但2015年收購(gòu)SoftKinetic后推出DepthSense ToF感知技術(shù)。自此，SONY很快在智能手機(jī)市場(chǎng)成為最大的ToF傳感器與解決方案供應(yīng)商：華為、三星近兩年的旗艦機(jī)都在用索尼的DepthSense方案。由于汽車、智能終端中的3D感知高歌猛進(jìn)，疊加“元宇宙”推波助瀾，ToF市場(chǎng)近兩年十分活躍，目前還有企業(yè)正準(zhǔn)備入市。這些后來者大部分是中國(guó)廠商，新面孔帶來些新玩法很值得期待。
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