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

TOF是能夠識別場景及物體并創建3D視圖的一項智能感測技術。TOF傳感器通過測量光束到達物體和返回所用的時間來確定物體距離，所生成和捕獲的數據非常準確，可提供行人檢測，基于面部特征的用戶身份驗證，以及使用SLAM（同時定位和映射）算法的環境映射等。

技術原理

ToF傳感器使用微型激光器發射紅外光，根據光束的發射和反射時間差或相位差計算距離，再將形成的深度信息與傳統相機拍攝結合，呈現出以不同顏色表征距離的三維輪廓地形圖。

圖1.ToF測距成像原理

ToF測定距離和深度的方法有兩種：直接飛行時間(dToF)、間接飛行時間(iToF)。dToF方法可確定單個像素的距離。接收到的信號會經過最終處理以觸發相應的操作，例如進行車輛規避操作，以避免與行人或障礙物相撞。這種方法稱為直接飛行時間(dToF)，因為它與光束的確切“飛行時間”相關。自動駕駛車輛的LiDAR系統就是典型的dToF應用示例。間接飛行時間(iToF)方法類似，但有一個顯著的區別。來自光源（通常為紅外VCSEL）的照明被勻光片擴大，并發射脈沖（50%占空比）到定義的視場。在下游系統中，如果光沒有遇到障礙物，存儲的“標準信號”將在一段時間內觸發探測器。如果物體中斷該標準信號，系統可根據所產生的相移和脈沖序列的時延，確定探測器每個定義像素的深度信息。

圖2.兩種主流TOF技術比較

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

應用優勢

TOF傳感器堪稱機器人的“眼睛”，在汽車自動駕駛、工業LiDAR系統和消費電子領域發展勢頭良好。在汽車領域，AR抬頭顯示（HUD）功能可以提供舒適且安全的駕駛體驗。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。高級駕駛輔助系統（ADAS）可以利用基于AR的HUD顯示視覺警報。汽車產業對AR HUD及投影的需求不斷增長，推動了ToF傳感器市場的增長。在炙手可熱的元宇宙中，VR系統也正越來越多地用于娛樂、教育、醫療和工業領域。VR可以幫助用戶在虛擬空間中模擬復雜的任務。通過在VR設備中利用ToF傳感器測量到物體的距離，用戶可以通過復雜而準確的位置/運動檢測，更輕松地在虛擬空間中獲得逼真的體驗。在3D制圖、室內導航、手勢識別、對象掃描等場景，TOF傳感器也在大顯身手。當然，ToF傳感器也有一些局限性，這主要便現在：（1）散射光，如果非常明亮的表面離ToF傳感器很近，它們可能會將太多的光散射到您的接收器中，并產生偽影和不必要的反射，因為ToF傳感器只需要反射一次的光即可進行測量。（2）多重反射。在角落和凹形上使用ToF傳感器時，它們可能會導致不必要的反射，因為光可能會多次反射，從而使測量失真。（3）環境光。在明亮的陽光下戶外使用ToF相機可能會導致戶外使用困難。這是由于陽光的高強度會導致傳感器像素快速飽和，從而無法檢測到從物體反射的實際光。

領導廠商

目前，ToF傳感器市場的領導廠商主要有：德州儀器（Texas Instruments）、意法半導體（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）、艾邁斯半導體（ams）等。

表1.全球ToF傳感器市場的領導廠商及產品

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意法半導體（ST）早在幾年前就推出其第一代產品VL6180和VL53L0X，采用850nm的波長激光，最大測距大于40cm。最新產品多合一VL53L5多區直接ToF傳感器模塊嵌入式MCU和加速器，最大測距距離可達4米，測距區域多達64個。德州儀器（TI）于2013年就發布過ToF技術，2017年發布了3D TOF圖像傳感器OPT8241芯片，主要應用為3D掃描、手勢控制等等，其終端應用在ATM、人數統計等等。邁來芯（Melexis）是全球五大頂級汽車半導體傳感器供應商之一，在汽車市場有著絕對的優勢，可以說現在平均每輛車就有8顆邁來芯品牌的芯片。在汽車應用中，傳感器數量越來越多，尤其是未來的自動駕駛，只有配備大量的高精準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英寸光學格式TOF傳感器，芯產品MLX75026、MLX75027提供VGA分辨率及處理功能。ams半導體專注于高性能傳感器解決方案，務范圍包括傳感器解決方案、傳感器IC、接口和相關軟件。ams在2017年收購Princeton Optronics，加強3D成像、AR/VR及汽車應用技術。最新產品為TMF8701、TMF8801集成了VCSEL紅外發射器、多個SPAD光探測器、TDC轉換器和直方圖處理內核，即使傳感器孔徑臟污也能保持可靠性能。

圖3.AmsTMF8801單區dToF芯片功能框圖

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