分析 丨ToF傳感器的XR應用和主要廠商

蘋果MR頭顯Vision Pro被業界關注，另有消息稱華為在2024年規劃2款產品，一個是與Vision Pro、Quest和PICO方案類似的MR頭顯，預計2024年Q3或者Q4發布；另一個是與魅族MYVU衍射光波導AR眼鏡類似的產品，發布時間晚于MR頭顯。

蘋果和華為入局能否推動XR（包括AR、VR、MR）行業進一步發展？根據網傳的華為MR調研顯示，蘋果Vision Pro第一代銷量主要起到“教育”用戶的作用，根據大致的供貨數據顯示大約40多萬臺，銷量不大的另一個原因是屏幕供應商、索尼的產能不足影響。第二代Vision Pro可能在2025年推出，是一款低配版或標準版，銷量為幾百萬臺，第三代產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應用培養用戶群體需要良好的產品沉浸式體驗，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產品的感知和交互功能，下面將介紹ToF傳感器的XR應用和主要廠商。

ToF是更適合XR應用的3D成像技術

ToF傳感器在XR應用中用于提供精確的深度感知、環境掃描功能，主要用途包括：

l 空間映射（mapping）和追蹤：幫助MR頭戴設備創建用戶周圍環境的3D模型，實現精準的空間定位和6自由度追蹤，使得虛擬內容可以準確地融入現實世界并與之交互。

l 環境理解和避障：實時感知環境中物體的位置和形狀，以便系統能夠在安全的距離內放置虛擬對象或進行交互設計，避免用戶碰撞真實物體。

l 手勢識別：ToF傳感器可用于捕捉手部動作，實現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、動態手勢識別以及對環境深度信息的全面理解與反應。實際上還有其他2種成像技術，包括立體視覺（stereo vision）、結構光(structured light)。

圖注：與其他3D成像技術相比，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、抗強光干擾性強、成本低，但是算法非常復雜、容易受到環境因素干擾、依賴環境光源、暗光場景表現不佳、模組尺寸相對較大等。

結構光有效識別距離相對較短，模組結構比較復雜，成像容易受強光干擾，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用。

ToF技術雖然成像精度和深度圖分辨率比結構光低、功耗較高，優勢在于識別距離更遠，可做到0.4米到5米甚至更遠的中遠距離識別，抗干擾性強，使ToF技術不僅應用于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根據發射光源的調制方式，有iToF和dToF之分。iToF發射連續波或短脈沖的調制近紅外光，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，因此可以根據接收到信號的相位變化計算出目標物體的距離。適合中遠距離測距，但對環境光噪聲敏感，需要復雜的信號處理算法以消除干擾。dToF發送的是超短光脈沖，然后精確測量這些脈沖從發射到接收的時間間隔，從而直接計算出絕對距離，其抗干擾能力強，能夠實現快速準確的實時深度探測，適用于動態場景。

圖注：傳華為2024年發布的MR設備采用的3D傳感器方案，其中dToF未確定是否采用。

主流產品形態：dToF陣列和多域dToF

ToF產品形態有dToF Array和dToF Multizone之分，兩者在設計和應用上存在一定的區別：dToF Array是一系列并排排列或矩陣排列的多個dToF傳感器單元，可以獨立工作或協同工作，每個單元都能進行單獨的光脈沖發射和接收，獲取不同點位的深度信息。優勢是能夠提供大范圍或高分辨率的深度數據采集，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能更好適應復雜環境條件，也適用于XR設備和無人機導航，但實際ToF產品形態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域，雖然物理上可能仍然是一個整體，但功能上卻能實現多區域獨立操作。每個區域可能會有不同的光源發射策略（例如不同的波長或強度）以及各自的接收器來處理反射信號。調整各個區域的工作參數，dToF Multizone技術可以更好地適應復雜的環境條件，比如減小干擾、區分距離相近或材質不同的目標，并且可以在單個硬件模塊上實現更精細化的距離測量，提高系統抗干擾能力和測距準確性。

總結來說，dToF Array強調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部實現分區控制和優化，目的是增強對復雜環境和多種目標的適應性及測量精準度。

圖注：海外ToF主要廠商

圖注：國內ToF芯片/模組廠商
ToF傳感器產品示例ADI：提供全面的ToF產品和方案

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

產品示例：結合ADTF3175 ToF模塊和ADSD3500 ToF深度圖像信號處理器，為深度相機提供完整的解決方案。

艾邁斯歐司朗：業界唯一擁有3種3D成像技術的廠商

艾邁斯歐司朗是目前唯一擁有3D傳感三種主流技術（結構光、雙目立體視覺和ToF）的傳感器領導廠商，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系統將高功率VCSEL、點陣光學系統和高靈敏度SPAD等一流技術組合在一起，準確測量場景中各物體的景深，并轉換為精確的場景重建，讓虛擬現實體驗更具身臨其境的真實感。

產品示例：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實3D場景體驗的流暢性。

英飛凌：擁有400多項ToF專利

自2015年宣布在消費領域推出第一代的ToF產品至今，英飛凌在ToF領域已經有400多項專利。英飛凌ToF技術在強光情況下能較好規避太陽光干擾，SBI專利技術能去掉不需要的光信息，讓有效的光信息通過，在強光下能得到比較好的物體深度信息。

產品示例：英飛凌REAL3? ToF 3D技術可以用于機器人移動時對整個場景的建圖、定位,實現精準避障，并給上層的路徑規劃算法，提供更多數據輸入。

芯視界：自研單光子dToF芯片性能遠超索尼

芯視界研發單光子直接ToF（SPAD dToF）技術和應用，擁有芯片級的光電轉換器件設計和單光子檢測成像技術，主營基于單光子探測的一維和三維ToF傳感器。產品廣泛應用于掃地機、無人機、手機、AR/VR和自動駕駛激光雷達等。

產品示例：單光子探測技術的3D ToF深度傳感器—VI4331，該傳感器分辨率高達240×96，支持水平120度廣視場角，擁有30fps高幀率，適用于掃地機室內建模與避障、行為檢測、安檢監控等。

聚芯微：累計出貨3億顆芯片

聚芯微自研3D ToF芯片和光學感知芯片。其3D ToF芯片具有比較先進的近紅外增強NIR+、低噪聲信號鏈、低功耗數字電路設計。截止2023年，聚芯微已累計出貨超3億顆。

產品示例：BSI 5um VGA iToF 傳感器，已獲主流手機客戶訂單并量產。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，可實現更好的全場景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應用。

審核編輯 黃宇