今年3月，蘋果發布了新款iPad Pro，其中最大的升級就是搭載了蘋果產品中首次出現的dToF，通過投射點陣，來獲得更精準的3D場景信息，提升AR應用體驗。而隨著蘋果秋季發布會的臨近，產業鏈也傳出iPhone12也將會搭載dToF LiDAR，加深AR布局。作為倒逼產業鏈的標杆，蘋果這波操作讓許多人萌生出「dToF取代iToF」的觀點，事實真的如此嗎？
dToF姍姍來遲，移動端應用還需解決兩大問題
ToF在智能手機端的應用早已屢見不鮮，發展到如今2020年，幾乎所有高端旗艦機型上都標配上一枚ToF感測器。最初，這項技術被用於距離感測，廠商將ToF模組應用於手機前面板，作為通話熄屏功能的感測器，這可以追溯至2014年的黑莓passport、LG G3等機型。
在近幾年，由於3D感測、拍照測距的需求提高，ToF在智能手機上有了更多的用武之地。目前市面上的手機ToF模組大多是採用iToF（indirect ToF）的方案，顧名思義，iToF的原理並不是直接測量光束的飛行時間。據華為Camera總工程師羅巍介紹，iToF一般是將發射的光波調製成一定頻率的周期性信號，通過測量發射信號與信號到達被測端反射回來到接收端的相位差，間接計算出光的飛行時間，常見的方案有四步相移法和兩步相移法等。
不過，因為iToF輸出一幀深度圖像時，需要採集多個相位的圖像數據來計算相位差，所以iToF相對整體功耗比較高，而且提高深度圖的幀率會比較困難。為了解決這些問題，iToF採用增加脈衝瞬時功率、多像素融合Binning的方式來提高信噪比，從而降低功耗，增大探測距離。iTof的優勢是因為sensor的pixel相對較小（可以做到5um，甚至3.5um），所以解析度可以做高。
在iToF廣泛應用的這幾年間，似乎一直都是「雷聲大，雨點小」。無論是手機廠商還是調研機構，在不斷吹捧ToF在手機領域的應用即將爆發同時，對於消費者而言ToF卻並沒有為他們帶來特別明顯的變化，相信沒有人會單純因為ToF的加入而選購一款手機吧。當然，這很大程度上是由於應用場景以及軟體生態的匱乏，以致於ToF一直沒有迎來真正意義上的市場「爆發」。
就在很多人覺得ToF略顯雞肋時，蘋果推出的新iPad Pro上搭載的LiDAR又將ToF帶到風口浪尖上。目前在ToF的技術路線上，大致可以分為iToF和dToF（direct ToF）兩種方案，而iPad上的LiDAR就是後者。
對於iToF和dToF的區別，ams資深技術支持經理白燕恭表示，dToF在原理上其實相比iToF更簡單直接。dToF的原理是利用從光源發射開始，到被測物體反射到接收端的過程時間除於以二，再乘上光速就能直接獲得與被測物體的距離數據。
「相比於iToF，dToF主要有這幾點優勢：具有真正的距離檢測、快速響應、低功耗以及對多物體檢測的精確性。特別是iToF在檢測多個物體時並不能夠識別數量，只能反饋出一個距離中間值。」白燕恭補充到。
那麼問題就來了，既然從原理上dToF甚至比iToF更為簡單，那麼為何直到今年iPad Pro上的應用，才讓dToF正式進入到消費者視野中？
對此，炬佑智能科技有限公司CEO劉洋認為主要是成本以及應用場景兩大原因，「根據現在的技術成熟度和導入的現狀，dToF在成本上還是比iToF更高，在結構上會對發光部分的要求也更高，並因此在應用場景比較局限於較遠距離的場景。在移動端，也是先以更加成熟和更加性價比高的iToF為主導入，因移動端對多感測的需求，包括蘋果也開始在iPad Pro上嘗試，dToF開始得到更多關注。其實dToF並不是新技術，也早在其它領域有應用，主要是更適用於較遠距的場景。」
事實上，儘管看起來dToF原理相對簡單，但實現的過程中，還會遇到很多難題。dToF主要由三大部分組成：發射端VCSEL、接收端SPAD（單光子雪崩二極體）、TDC（時間數字轉換電路）。相比於iToF，dToF無論是在發射端還是在接收端都具有更高的要求。
對於發射端而言，VCSEL光源的功率直接影響到dToF的工作距離。要實現如iPad Pro一樣5米左右的工作距離，就要提高VCSEL光源功率，或將脈衝周期縮短到ns級別，以提升瞬時功率。另一方面在接收端SPAD上，本身其工藝複雜、成本高，目前大多由國外廠商壟斷，同時如何在有限的體積下提高其解析度也有待解決。因此，難以小型化、成本高是導致dToF遲遲未能在移動端設備廣泛應用於3D感測的主要原因。
而在手機ToF產品上，劉洋表示目前還是以SONY為主的國外供應鏈，炬佑智能也在積極與手機客戶合作，特別是在推進其一些獨有的TOF晶元和系統技術上。dToF方面，國內在關鍵的VCSEL和SPAD都在近期有所突破，比如西安電子科技大學朱樟明、楊銀堂教授研究團隊6月初發布的dToF SPAD激光雷達感測器晶元，單晶元上集成了核心感光器件SPAD整理及精準測距電路、多種測距精度優化和抗背景光干擾演算法等功能，具有32×32×4解析度、超30fps的刷新率，在200mW功耗下可以實現12-15米的遠距離高精度探測，是目前報道中最遠的dToF SPAD探測距離。
由此可見，隨著未來市場需求的提高，以及更多玩家加入到dToF市場競爭中，dToF成本或將迅速拉低。但想要進一步與AR、人臉識別等應用相適配，仍需在小尺寸SPAD的解析度上多下功夫。
dToF取代iToF？場景適配才是關鍵
從iPad Pro的表現來看，dToF確實為AR應用體驗帶來了不小的提升。有資深業內人士向《華強電子》表示，從技術上看，除了測距精度高、抗干擾能力強外，dToF在測距距離上的優勢、以及多物體識別能力使得dToF能在AR領域有較好發揮，這是蘋果選擇了dToF技術的主要原因。
目前來看，其實dToF在多種領域都已經有廣泛應用，白燕恭表示：「現在我們已經能夠看到的應用方向和應用領域有很多，像距離檢測在掃地機器人上的應用、接近感測在筆記本等大屏幕鎖屏解鎖的應用、工廠中的安全距離檢測、無人機穩定降落以及碰撞檢測等等。只要是對於距離有絕對精準測量需求的應用場景，都能用到dToF。」
「像ams的TMF8系列dToF感測器，集成了光學濾波器，能夠消除強光，將外部光線對感測器的干擾降到最低；同時對於光學元件普遍難題——油污也能夠做到很好的抑制，而這對於iToF而言幾乎無法解決，dToF則能夠將影響降到最低。」
那麼既然dToF優勢這麼多，在未來它會取代iToF成為移動端設備的首選技術嗎？
如上文所提到的，dToF目前而言還存在著成本高、解析度相比iToF低等問題。據資深業內人士介紹，dToF解析度低，主要原因是SPAD單個像素點尺寸做不到太小。雖然今年松下在ISSCC上發布了一款採用了65nm CMOS工藝的1200×900解析度SPAD dToF感測器，但由於體積功耗的原因，更多地應用在車載LiDAR方面。
對於dToF是否會取代iToF，劉洋認為技術與場景適配才是最重要的：「ToF技術不會停留在現在的狀況，不論dToF和iToF都會不斷演進，甚至是不斷融合，所以沒必要以這些技術名稱做定標方向。做更好的ToF，和做更適合相關應用場景的ToF才是關鍵。」
資深業內人士則認為iToF在消費電子領域與dToF還有一戰之力，他表示：「我們也看到iToF技術同樣也在一直進步，通過演算法以及電路設計等，來提升iToF系統的測距精度、距離和抗干擾能力。因此在消費電子領域測距範圍普遍不大的情況下，iToF未必會輸給dToF。未來消費電子領域會是哪種技術作為主導，目前還難以下結論。」
按照以往慣例，在蘋果擁抱dToF技術後，很有可能會引起供應鏈密集跟進布局。這對於現有的ToF廠商而言，或許是行業競爭加劇的先兆，他們又該如何面對？
「我們認為並不是蘋果擁抱dToF，而是蘋果在現階段嘗試了一個比較適合他們現階段應用的ToF技術。」炬佑智能CEO劉洋認為，「雖然可能會有些企業跟風布局，但我們更加專註開發更適合客戶應用的和有商業價值的ToF技術，不限於dToF和iToF。我們還在開發相關更有優勢的ToF技術，包括混合型ToF技術和高動態像素控制技術等，期待在細分應用上給客戶提供更專業的ToF方案，如更高解像度，更小FOM factor，更優系統成本，更高精度等。」
所以，dToF與iToF作為ToF技術中的兩個分支，各自具有不同的技術特性，在不同的應用場景都將有各自的發揮空間。劉洋認為，目前的dToF技術在較遠距離有更低的功耗和相對一致的精度值，但的確還存在精度不夠，解像度不夠和高成本的問題，因此可能會在手機後置上有一定的應用機會。
與此同時，ToF技術還在不斷地演進和融合當中，炬佑智能方面表示，將來的ToF技術會向更加適配應用，更動態，更高精度和解像度的方向發展，會更加趨向系統集成化。而且發光部分的創新會是一個關鍵，炬佑智能在發光碟機動和控制部分也在大力開發相關晶元和方案，總之，為了解決更多複雜的應用需求，ToF技術會不斷進化，而且會更加多樣化。
AR/VR應用我們已經談論了很多年，但一直以來受制於設備性能、網路以及顯示、感測技術等限制，進展緩慢。而如今在5G、蘋果AR生態構建、華為河圖應用等刺激下，ToF顯然已經進入了高速發展期，各大終端企業的「背書」為ToF的應用前景提供了堅實後盾。對於ToF產業相關產廠商而言，如何抓住終端應用痛點、迅速跟進應用需求的轉變、並擴大自身基礎技術優勢，是未來立足於紅海市場的關鍵。
