TOF：手機3D應用的下一個風口
Iphone X的面市帶火了一波3D結構光的熱潮，在國內市場上，OPPO在6月19日發布了FindX。據悉，FindX的3D結構光方案是由奧比中光獨家提供演算法，丘鈦科技獨家包攬3D攝像頭模組的製造。據悉，華為等其它一線手機廠家也在跟進，和丘鈦科技同處於一線模組陣營的舜宇光學、歐菲也在積極做3D模組的量產準備。
Iphone X的前攝鏡頭結結構
OPPO Find X的前攝鏡頭結構
散斑示意圖
相比較結構光，TOF的優勢為演算法簡易、幀率高，散斑結構光現有的激光發射模組中會使用到準直透鏡來搭配DOE，而TOF的發射模組只需要激光器和Diffuselens或直接採用LED作為發射模組，且TOF的發射模組和接收模組的baseline可以做得更小，因此3DTOF模組的整體尺寸相比3D結構光可以變得更小。同時由於TOF的工作距離相比結構光更遠，因此TOF的應用範圍可以變得更廣。TOF模組應用於手機前攝，可以實現人臉解鎖、支付、Animoji表情等應用。TOF應用於手機後攝，可實現vSLAM、AR等領域的應用，如AR拍照、AR遊戲、測距、虛擬購物、虛擬試衣、室內定位與導航等。
TOF的組成部分為發射端和接收端，發射端包括激光器、Diffuser lens，接收端包括紅外接收鏡頭、窄帶濾光片和紅外圖像感測器。市場上激光器的廠商有Finisar、Princetonoptronics（被AMS收購）、II-VI、Vixar、Lumentum、華立捷、縱慧等。窄帶濾光片的主要廠商有viavi、水晶光電等。IR鏡頭的主要廠商有新鉅科技（NEWMAX）、大立光（Largan）、玉晶光電等。對於3DTOF市場來說，真正稀缺的是晶元資源，SONY、三星、松下都已經開始著手於開發精度更高、像素更高的TOF晶元，並且滿足手機端的應用需求。對於TOF感測器的工藝，比如SONY、Melexis、Infineon、TI等都利用的CMOS形式，只有松下使用的CCD模式，可能是沿用了它自身技術的優勢。
業內領先的3D模組製造商丘鈦科技在今年7月23日發布公告，宣布其成功取得一家為獨立第三方的中國領先智能手機品牌製造商的首批3D結構光模組批量採購訂單及備料需求指示，數量合計超過一百萬顆。據悉，除在3D結構光模組上已實現大批量量產交付外，丘鈦科技對TOF技術及關鍵零部件也進行了深入的研究，其併購的鏡頭廠NEWMAX是主流3D相機的紅外鏡頭零部件供應商，在光學設計和鍍膜工藝上技術領先，目前其應用在手機3D模組上的準直鏡頭和IR鏡頭也已經實現批量出貨。小編了解到，丘鈦科技同業內領先的TOF晶元方案商如SONY、三星等形成了合作夥伴關係，共同開發手機端TOF模組，目前其已具備TOF模組量產能力。
丘鈦TOF模組
TOF（Timeof flight），光的飛行時間，利用光在空氣中的傳播速度不變的特性從而測算出被測物體的距離，TOF還分為Direct-TOF(直接飛行時間)和Indirect-TOF(間接飛行時間)。直接飛行時間的這種測試方式對感測器本身的要求和時間解析力的精度都很高，SPAD(Single photon avalanche diode,單光子雪崩二極體)的技術可以達到這種要求，SPAD是一類高靈敏度的半導體光電檢測器，一直廣泛應用於弱光信號檢測領域，當感測器感受到了微弱的反射光子之後開始發生雪崩效應並計數，與此同時，感測器可以直接計算出發射與接收的時間差從而得到距離。
計算公式為：
直接飛行時間示意圖
SPAD結構示意圖（ST產品）
SPAD工作原理示意圖
現在採用最多的方法就是間接飛行時間，利用CAPD（Current-Assisted Photonic Demodulator，電流輔助光子解調）的技術，利用不同時間開啟的快門窗口接收反射光轉換成的電荷。
CAPD工作原理示意圖
光源即激光器有兩種調製形式，一種是調製為方波形式，舉例：可利用兩個可控的快門窗口來接收反射回來的光，光源發射一段周期為T的脈衝波（方波形式），感測器的每個像素點採樣反射光的能量，每個像素點使用2個反相的計算窗口C1，C2，周期都為T。在採樣時間內像素點按窗口開啟電荷累計Q1和Q2，然後通過公式計算每個像素點對應的距離信息。距離取決於Q1、Q2所佔的比重。實際應用中還需要考慮到環境雜訊的影響，所以晶元公司在此基礎上會增加一個接收環境光的快門窗口，實際的原理沒有改變。
光源為方波形式
如果是光源調製為正弦波模式，使用CAPD的方法，連續調製波使用多個採樣計算窗口測量，每個計算窗口相位延時90°（0°，180°，90°，270°），共4個，也稱四相位法，通過四個快門窗口接收的電荷量求得發射與反射光的相位差，從而計算出距離。公式中φ為相位差，Q1、Q2、Q3、Q4為電荷量,f為頻率、B為強度偏移（由環境光引起）。這樣得到的數據相較於方波形式的會更加精準一些，利用連續調製波方式的公司有3DV和canesta（被微軟收購），但是正弦波調製比脈衝波難調製且功耗大，並沒有廣泛應用。
正弦波模式--四相位法
此前，PMD與英飛凌共同開發的TOF方案應用在了聯想Phab 2 Pro及ASUS ZenFone AR手機上，基於谷歌Project Tango系統開發了一些AR的應用，但是這類產品並沒有火熱於市場，其中一個原因是缺少行業領頭羊對後置3D AR應用的推廣，相關的3D AR應用資源比較匱乏。
蘋果在2017年6月的WWDC上發了ARKit，，開發人員可以使用這套工具基於iPhone和iPad創建增強現實應用程序。2018年6月4日，蘋果在WWDC2018發布了ARKit2，此番更新後，蘋果推出了增強人臉追蹤、真實感圖像繪製、3D目標檢測、穩定性體驗、多用戶AR互動等新功能。Google在2017年8月29日發布了用於Android平台的ARSDK ARCore，ARCore是一套針對Android開發者提供的SDK（這是一套純軟體解決方案），幫助開發者為Android手機開發增強現實體驗。所以，ARCore解決方案可以把ProjectTango的很多精華引入到包括手機在內的非常廣泛的增強現實設備中。
隨著ARKit和ARCore在移動終端的普及，AR相關的內容會越來越豐富。對於部分用戶而言，會產生對高精度、高性能AR應用的使用需求（如精確測距、物體尺寸測量、空間三維構建等），基於TOF等景深模組的硬體，配合ARKit和ARCore，可以為終端用戶帶來更加極致的AR使用體驗，有利於3D模組的普及，助力丘鈦科技等具備領先3D技術的模組廠對3D模組硬體進行不斷優化（小尺寸、高精度、低功耗、低成本），促進行業發展。據市場傳言，蘋果可能在2019年發布後置3DTOF模組的最新手機。從蘋果及谷歌兩大手機操作系統巨頭在AR領域的布局以及蘋果可能在明年發布後置TOF手機的消息來看，我們可以預見到後置3D TOF極有可能會在2019年迎來一個爆發點，成為手機3D應用的下一個風口。
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