基于面阵ToF芯片整理来聊聊ToF的发展趋势

作者 | 技述无忌
编辑 | 3D视觉开发者社区

1、面阵ToF芯片数据汇总及简要分析

下图是根据近三年各个公司的官网与公开发布的数据整理的相关ToF芯片相关信息与资料，对于IToF则主要整理VGA分辨率的芯片，DToF则主要整理2万点左右的芯片信息。

ToF芯片信息汇总

从上表中，可以看出面阵ToF的几个特点：

• 当前面阵ToF仍然以IToF为主流，但DToF芯片也逐渐增多，究其主要原因应该是IToF可以采用现有的CMOS工艺进行设计与生产，其产业链相对比较成熟；
• IToF芯片的分辨率普遍以VGA为主，最高是ADI的ADSD3100达到1MP（可能与微软的Azure kinect的sensor同款），据说Sony也有类似1MP的IToF芯片；
• DToF芯片普遍像素不高，落地商用的最高分辨率是Sony与苹果合作开发的200x160的DToF芯片，灵明光子本月发布的DToF芯片，则是达到了240x160，单从分辨率来看已经略微超过了Sony；
• 国内布局ToF芯片基本都是近年的创业公司；

2、面阵ToF技术发展可能的几个趋势

2.1 芯片像元尺寸小型化

为了保证足够的光电探测效率（QE值），目前ToF芯片的pixel size 基本都是7um或者10um；但是如果我们仔细去研究就发现，Sony最新发布的VGA IToF芯片IMX570，同样的分辨率却比上一代尺寸下降了一倍，从10um下调到了5um；对于ADI的1MP的ToF sensor的像素尺寸更是只有3.5um；像素尺寸的变小为大分辨率的ToF芯片的出现提供了基础。也更加满足产品系统应用对于尺寸的需求，为ToF的规模化奠定良好的基础。

2.2 IToF芯片支持多频化

现在IToF芯片主要支持两种调制，一是PM调制，二是CW调制。但大部分芯片ToF芯片只支持双频调制；双频调制的优势在于对精度、测量距离、系统复杂度之间是一个非常平衡的解决方案；多径干扰是IToF面临的重要问题，解决此问题，一般有几个思路：一是采用局部照明的方式，二是采用多频处理，三是采用机器学习的方案；第一个思路并不太适合，第三个方案一般是依赖后端算法实现，也不适合由IToF芯片解决；因此，采用多频调制解决多径干扰是IToF芯片一种可行的方案。在多频方案中，解算K重多径，需要2k+1个不同频率的探测值。因此，3频可以解决Two-Path多径问题，这也是目前一部分ToF sensor支持调制频率数。

2.3 BSI与3D堆叠工艺成为未来ToF芯片首选

前照式（FSI）CMOS图像传感器和背照式（BSI）CMOS图像传感器横截面对比图。背照式结构可避免金属走线、晶体管的影响，从而增加感光像素的进光量，同时也能抑制光入射角度变化导致感光度下降的问题。即使面对夜景等昏暗场所，也能拍摄流畅、高画质的影像。背照式结构的这一突破，使得CMOS图像传感器在众多专业领域获得青睐，并加速了其对CCD图传感器的取代。此外，背照式结构还进一步推动了堆叠式CMOS图像传感器的发展。

第一款堆叠式CMOS图像传感器采用硅通孔（TSV）技术实现感光像素芯片与逻辑电路芯片的连接，但后来采用Cu-Cu连接代替了TSV，并实现了多点连接，利用Cu-Cu连接替代TSV，Cu-Cu连接是感光像素芯片与逻辑电路芯片通过在各堆叠面上构建的Cu焊盘直接连接的方式。这种连接方式无需穿透感光像素芯片，也不需要专门的连接区域，因此，可以实现CMOS图像传感器的进一步小型化和生产效率的提升。

2021年2月，索尼发布了业界首款采用SPAD像素的堆叠型dToF车载激光雷达LiDAR）。将SPAD像素与测距处理电路以堆叠方式集成在一颗芯片上，从而能够高精度、高速地以15 cm的间隔测量最大300m的距离。

2.4 高分辨率趋势

在ADI的IToF sensor中，其分辨率为1024x1024；而其它的分辨率都较低，面阵DToF的分辨率更低。

• 在Sony、灵明光子发布的DToF中，都在尝试不断提高面阵DToF的分辨率，而且当前其有效点数都小于3万点，在2万点附近，这个分辨率对于3D视觉类的应用还是不足的，因此对于DToF而言，高分辨率的趋势是显而易见的。
• 对于IToF目前VGA的主流分辨率是否可用，个人认为以目前后端算力的发展情况，暂时也基本可以满足应用。但是算力的发展，按照摩尔定律其发展是很快的，随着后端以及边缘算力的增加，整个应用系统对于3D高分辨率的诉求会越来越强烈。
• 2D向着高清晰度发展，对于细节的展示越来越逼真；在AR/VR的应用以及三维模型重建也需要3D的数据越来越精细化，这些都对于3D分辨力有着客观的需求。

2.5 环境干扰抑制

ToF是一种主动发光浿距的技术，其受到很多环境因素的影响；因此无论IToF还是DToF，如何抑制环境因素的干扰都是必须面临的问题。

• 支持多频调制，抑制多径干扰；
• 增加环境光检测，以提升Sensor的信噪比，通过检测当前环境中干扰光的强度，调整Sensor、激光以及算法参数达到抑制环境光干扰的目的；
• 支持随机编码调制，以避免同类ToF激光的干扰；
• 提升耐热性、提高温度适应性、降低功耗等；

3、ToF的市场趋势

提到发展趋势总不能少了市场的支撑，对于市场容量与规模这块这里就不做过多的论述，引用一下Yole Developpement 的数据，2020 年全球 3D 成像和传感市场价值约 68 亿美元，并将在一两年内实现软增长。他们进一步指出，随着汽车和工业等二级市场的腾飞，它的增长将更加强劲，预计到 2026 年将增长到 150 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为 14.5%。报告显示，该市场主要服务于移动和消费者，预计到 2026 年仍将占整个 3D 成像和传感市场的 46%。到 2026 年，汽车和工业加起来将占市场的 22%。

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