分析 丨ToF傳感器的XR應(yīng)用和主要廠商

蘋果MR頭顯Vision Pro被業(yè)界關(guān)注，另有消息稱華為在2024年規(guī)劃2款產(chǎn)品，一個是與Vision Pro、Quest和PICO方案類似的MR頭顯，預(yù)計(jì)2024年Q3或者Q4發(fā)布；另一個是與魅族MYVU衍射光波導(dǎo)AR眼鏡類似的產(chǎn)品，發(fā)布時間晚于MR頭顯。

蘋果和華為入局能否推動XR（包括AR、VR、MR）行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展？根據(jù)網(wǎng)傳的華為MR調(diào)研顯示，蘋果Vision Pro第一代銷量主要起到“教育”用戶的作用，根據(jù)大致的供貨數(shù)據(jù)顯示大約40多萬臺，銷量不大的另一個原因是屏幕供應(yīng)商、索尼的產(chǎn)能不足影響。第二代Vision Pro可能在2025年推出，是一款低配版或標(biāo)準(zhǔn)版，銷量為幾百萬臺，第三代產(chǎn)品的銷量可能超過千萬臺。與蘋果MR頭顯類似，華為的第一代頭顯銷量也不會太大。

XR應(yīng)用培養(yǎng)用戶群體需要良好的產(chǎn)品沉浸式體驗(yàn)，底層硬件不可獲取，其中，ToF（Time of Flight）傳感器是一種比較重要的元器件，影響XR產(chǎn)品的感知和交互功能，下面將介紹ToF傳感器的XR應(yīng)用和主要廠商。

ToF是更適合XR應(yīng)用的3D成像技術(shù)

ToF傳感器在XR應(yīng)用中用于提供精確的深度感知、環(huán)境掃描功能，主要用途包括：

l 空間映射（mapping）和追蹤：幫助MR頭戴設(shè)備創(chuàng)建用戶周圍環(huán)境的3D模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的空間定位和6自由度追蹤，使得虛擬內(nèi)容可以準(zhǔn)確地融入現(xiàn)實(shí)世界并與之交互。

l 環(huán)境理解和避障：實(shí)時感知環(huán)境中物體的位置和形狀，以便系統(tǒng)能夠在安全的距離內(nèi)放置虛擬對象或進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，避免用戶碰撞真實(shí)物體。

l 手勢識別：ToF傳感器可用于捕捉手部動作，實(shí)現(xiàn)無需手持控制器的自然手勢交互。

ToF傳感器的作用之一是3D成像，分別針對空間定位與建模、動態(tài)手勢識別以及對環(huán)境深度信息的全面理解與反應(yīng)。實(shí)際上還有其他2種成像技術(shù)，包括立體視覺（stereo vision）、結(jié)構(gòu)光(structured light)。

圖注：與其他3D成像技術(shù)相比，ToF更適用于3D映射（圖源：Yole）

立體視覺的3D成像分辨率高、精度高、抗強(qiáng)光干擾性強(qiáng)、成本低，但是算法非常復(fù)雜、容易受到環(huán)境因素干擾、依賴環(huán)境光源、暗光場景表現(xiàn)不佳、模組尺寸相對較大等。

結(jié)構(gòu)光有效識別距離相對較短，模組結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成像容易受強(qiáng)光干擾，成本也相對較高，但是其通過一次成像就可以得到深度信息，能耗低、成像分辨率高，非常適合對安全級別要求較高的3D人臉識別、3D人臉支付等方面的應(yīng)用。

ToF技術(shù)雖然成像精度和深度圖分辨率比結(jié)構(gòu)光低、功耗較高，優(yōu)勢在于識別距離更遠(yuǎn)，可做到0.4米到5米甚至更遠(yuǎn)的中遠(yuǎn)距離識別，抗干擾性強(qiáng)，使ToF技術(shù)不僅應(yīng)用于3D人臉識別、3D建模等方面，還適用于SLAM、手勢識別、體感游戲、AR/VR等，應(yīng)用更加廣泛。

圖注：iToF和dToF在移動終端上design win案例（圖源：Yole）

ToF根據(jù)發(fā)射光源的調(diào)制方式，有iToF和dToF之分。iToF發(fā)射連續(xù)波或短脈沖的調(diào)制近紅外光，并測量反射光的相位差來確定距離。由于相位與光程成正比，因此可以根據(jù)接收到信號的相位變化計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。適合中遠(yuǎn)距離測距，但對環(huán)境光噪聲敏感，需要復(fù)雜的信號處理算法以消除干擾。dToF發(fā)送的是超短光脈沖，然后精確測量這些脈沖從發(fā)射到接收的時間間隔，從而直接計(jì)算出絕對距離，其抗干擾能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的實(shí)時深度探測，適用于動態(tài)場景。

圖注：傳華為2024年發(fā)布的MR設(shè)備采用的3D傳感器方案，其中dToF未確定是否采用。

主流產(chǎn)品形態(tài)：dToF陣列和多域dToF

ToF產(chǎn)品形態(tài)有dToF Array和dToF Multizone之分，兩者在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上存在一定的區(qū)別：dToF Array是一系列并排排列或矩陣排列的多個dToF傳感器單元，可以獨(dú)立工作或協(xié)同工作，每個單元都能進(jìn)行單獨(dú)的光脈沖發(fā)射和接收，獲取不同點(diǎn)位的深度信息。優(yōu)勢是能夠提供大范圍或高分辨率的深度數(shù)據(jù)采集，特別適合于需要大面積覆蓋或者需要較高精度的3D掃描、空間感知和物體識別場景。

圖注：dToF Multizone能更好適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件，也適用于XR設(shè)備和無人機(jī)導(dǎo)航，但實(shí)際ToF產(chǎn)品形態(tài)取決于功耗和成本等具體需求

dToF Multizone是單個dToF傳感器被劃分為多個區(qū)域，雖然物理上可能仍然是一個整體，但功能上卻能實(shí)現(xiàn)多區(qū)域獨(dú)立操作。每個區(qū)域可能會有不同的光源發(fā)射策略（例如不同的波長或強(qiáng)度）以及各自的接收器來處理反射信號。調(diào)整各個區(qū)域的工作參數(shù)，dToF Multizone技術(shù)可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境條件，比如減小干擾、區(qū)分距離相近或材質(zhì)不同的目標(biāo)，并且可以在單個硬件模塊上實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的距離測量，提高系統(tǒng)抗干擾能力和測距準(zhǔn)確性。

總結(jié)來說，dToF Array強(qiáng)調(diào)的是多個傳感器單元的集成和同時工作以提高空間分辨率或覆蓋面積，而dToF Multizone則是在單一傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制和優(yōu)化，目的是增強(qiáng)對復(fù)雜環(huán)境和多種目標(biāo)的適應(yīng)性及測量精準(zhǔn)度。

圖注：海外ToF主要廠商

圖注：國內(nèi)ToF芯片/模組廠商
ToF傳感器產(chǎn)品示例ADI：提供全面的ToF產(chǎn)品和方案

ADI提供各種ToF產(chǎn)品和解決方案，包括高分辨率CMOS成像芯片（1MP）、深度計(jì)算和毫米級精度處理、激光驅(qū)動器和電源管理，以及有助于快速實(shí)施ToF和iToF解決方案的開發(fā)工具和軟件/固件。

產(chǎn)品示例：結(jié)合ADTF3175 ToF模塊和ADSD3500 ToF深度圖像信號處理器，為深度相機(jī)提供完整的解決方案。

艾邁斯歐司朗：業(yè)界唯一擁有3種3D成像技術(shù)的廠商

艾邁斯歐司朗是目前唯一擁有3D傳感三種主流技術(shù)（結(jié)構(gòu)光、雙目立體視覺和ToF）的傳感器領(lǐng)導(dǎo)廠商，可提供更小尺寸、低功耗、高精度的整體解決方案。其新的3D dToF系統(tǒng)將高功率VCSEL、點(diǎn)陣光學(xué)系統(tǒng)和高靈敏度SPAD等一流技術(shù)組合在一起，準(zhǔn)確測量場景中各物體的景深，并轉(zhuǎn)換為精確的場景重建，讓虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)更具身臨其境的真實(shí)感。

產(chǎn)品示例：紅外OSLON?黑色系列SFH 4715S/ 4715AS和SYNIOS?系列等，提供紅外照明光源，可以最大程度確保虛擬現(xiàn)實(shí)3D場景體驗(yàn)的流暢性。

英飛凌：擁有400多項(xiàng)ToF專利

自2015年宣布在消費(fèi)領(lǐng)域推出第一代的ToF產(chǎn)品至今，英飛凌在ToF領(lǐng)域已經(jīng)有400多項(xiàng)專利。英飛凌ToF技術(shù)在強(qiáng)光情況下能較好規(guī)避太陽光干擾，SBI專利技術(shù)能去掉不需要的光信息，讓有效的光信息通過，在強(qiáng)光下能得到比較好的物體深度信息。

產(chǎn)品示例：英飛凌REAL3? ToF 3D技術(shù)可以用于機(jī)器人移動時對整個場景的建圖、定位,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障，并給上層的路徑規(guī)劃算法，提供更多數(shù)據(jù)輸入。

芯視界：自研單光子dToF芯片性能遠(yuǎn)超索尼

芯視界研發(fā)單光子直接ToF（SPAD dToF）技術(shù)和應(yīng)用，擁有芯片級的光電轉(zhuǎn)換器件設(shè)計(jì)和單光子檢測成像技術(shù)，主營基于單光子探測的一維和三維ToF傳感器。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于掃地機(jī)、無人機(jī)、手機(jī)、AR/VR和自動駕駛激光雷達(dá)等。

產(chǎn)品示例：單光子探測技術(shù)的3D ToF深度傳感器—VI4331，該傳感器分辨率高達(dá)240×96，支持水平120度廣視場角，擁有30fps高幀率，適用于掃地機(jī)室內(nèi)建模與避障、行為檢測、安檢監(jiān)控等。

聚芯微：累計(jì)出貨3億顆芯片

聚芯微自研3D ToF芯片和光學(xué)感知芯片。其3D ToF芯片具有比較先進(jìn)的近紅外增強(qiáng)NIR+、低噪聲信號鏈、低功耗數(shù)字電路設(shè)計(jì)。截止2023年，聚芯微已累計(jì)出貨超3億顆。

產(chǎn)品示例：BSI 5um VGA iToF 傳感器，已獲主流手機(jī)客戶訂單并量產(chǎn)。此外，3D dToF圖像傳感器芯片SIF7010是其第一款3D堆疊dToF，小尺寸、低成本、低功耗，可實(shí)現(xiàn)更好的全場景Auto-Focus、背景虛化人像模式、電影模式等，適用于場景建模和AR/VR應(yīng)用。

審核編輯 黃宇