深度丨為何iPhone 12 Pro高調(diào)官宣代言dToF？

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

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，蘋果通過此舉，正式向全天下昭告堅定站隊dToF。

為什么dToF會成為蘋果的心頭好？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、雙目立體視覺和飛行時間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）。
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ams大咖談dToF的工作原理及應(yīng)用前景

dToF技術(shù)的優(yōu)勢和核心要點

dToF技術(shù)屬于1D ToF的一種，也就是對一個深度點提供精準(zhǔn)測距。目前，1D ToF已廣泛應(yīng)用于：距離檢測，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，以及自動化工廠中的安全距離檢測，即用于工人與機(jī)器人近距離協(xié)同工作時控制安全距離；Trigger Sensing，用于無人機(jī)做室內(nèi)天花板/地面迫近檢測，以及商場中觸發(fā)自動開關(guān)門等?？梢哉f，只要對距離有精確測量需求的場景，就需要用到1D ToF。

從技術(shù)實現(xiàn)方式來分，1D ToF有兩種，一是直接測距dToF，即通過發(fā)射、接收光并測量光子飛行時間從而確定距離；二是市面上很成熟的非直接測距iToF，即通過測量發(fā)射波形和接收波形間的相位差換算飛行時間從而確定距離。在具體實現(xiàn)上，dToF的難度更大，主要在于檢測器需要對光敏感度比非常高，以便精準(zhǔn)捕捉極為微弱的光脈沖信號（常見為使用SPAD來實現(xiàn)）；同時，還需要能精細(xì)分辨細(xì)微的時間差（皮秒級，通常使用TDC來實現(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等優(yōu)勢，獲得越來越多的青睞。

蘋果指出，Pro機(jī)型中搭載dToF后，通過場景檢測和多對象檢測的可靠距離測量、背景虛化、觸摸對焦，以及弱光條件下也能實現(xiàn)的快速自動對焦，攝像頭應(yīng)用變得更加強(qiáng)大。憑借dToF對光干擾不太敏感的特性，蘋果不僅將其用于輔助自動對焦，同時還在視頻拍攝和夜間模式中起到物體探測的作用。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（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)布的升級版TMF8801，基于ams專有的單光子雪崩二極管（SPAD）像素設(shè)計和具有極窄脈寬的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），可實時測量光子的直接飛行時間，實現(xiàn)快速精準(zhǔn)確定物體的距離。（具體dToF技術(shù)原理，詳見篇首視頻講解）

TMF8701有兩種工作模式：0-10cm 接近/遠(yuǎn)離檢測，可用于啟動顯示屏傳感器和關(guān)閉人臉識別系統(tǒng)；10-60cm準(zhǔn)確距離測量，可用于觸發(fā)更高功耗的人臉識別系統(tǒng)。TMF8701能夠以低功率運行，在以10Hz頻率采樣時，接近傳感模塊耗能僅為940μA，非常適合保持常開，作為智能手機(jī)臉部識別系統(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（直方圖作用機(jī)制、產(chǎn)品參數(shù)對比等，請看視頻），即：

多路徑干擾抑制，即SPAD秒表計時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，已通過1級人眼安全認(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)計中非常重要且極具挑戰(zhàn)性的工作，ams給出TMF8x01光設(shè)計指南如下：

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孔孔徑分別為1.5和1.1mm；

擋墻設(shè)計；

蓋板上的油墨建議為85%透過率的紅外油墨；

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用于輔助自動對焦、不同光照下物體精準(zhǔn)探測、用于提升AR/VR應(yīng)用體驗之前，在智能手機(jī)中，1D ToF主要用于前置3D傳感面部識別系統(tǒng)。

這里，以基于1D ToF等傳感系統(tǒng)實現(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)用上的有效時間，幫助用戶優(yōu)化其時間分配，同時，也可作為廣告客戶對眾多應(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保持常開狀態(tài)，實時進(jìn)行存在檢測及人臉距離檢測；

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；

如用戶注意力監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)未檢測到人臉、眼睛轉(zhuǎn)向他處、閉眼過長時間等，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人臉識別+Attention Aware的工作流程則略有擴(kuò)展。在常開狀態(tài)的1D ToF檢測通過、喚醒泛光燈及紅外攝像后，做頭部、眼部檢測及距離檢測，通過后才喚醒高耗能的3D成像來進(jìn)行臉部深度信息采樣，比對通過后解鎖。

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

實測數(shù)據(jù)顯示，集成1D ToF的3D識別系統(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，用戶體驗更差（具體講解，請查閱開篇視頻）。