圖4，SPAD橫截面，來源：Wikipedia

dToF方案里另一個比較有代表性的傳感器技術(shù)是前文就提到的SPAD(單光子雪崩二極管)，它和APD的差別在于：它比APD更敏感，一個光生載流子就能觸發(fā)大量雪崩電流;另外APD的dToF方案里，TDC(time-to-digital converter)的觸發(fā)信號是由一個互阻抗放大器(TIA)產(chǎn)生的，而SPAD一般能夠直接產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)信號，也就是所謂的像素內(nèi)TDC(in-pixel TDC)。SPAD相比APD得以實現(xiàn)小像素尺寸，而且與CMOS全兼容，SPAD像素陣列芯片級高度集成也就可行了。除了更低的時間抖動，單光子檢測屬性讓脈沖寬度很短，輸出功率也就可以比較高，SBNR自然可以更高。

圖5

在我們常說的LiDAR固態(tài)方案里，實施SPAD光電探測器，主動光源通過diffuser器件實現(xiàn)光線的漫射，而不需要真正的機械掃描動作，dToF就能實現(xiàn)并行的每個像素測量，以實現(xiàn)3D感知，從過去ToF僅用于單點測距，到如今3D視覺、建模這樣的應(yīng)用(圖5)。當(dāng)然APD技術(shù)實際上也在發(fā)展中，比如松下今年才發(fā)布了一種名為VAPD(垂直堆棧APD)的技術(shù)，以實現(xiàn)像素的小型化，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高測距精度和更高的像素。

只不過由于SPAD傳感器包括淬火電路在內(nèi)的各種電路仍然比較復(fù)雜，如TDC需要占到很大的片上尺寸，像素也不可能做到像傳統(tǒng)攝像頭CIS圖像傳感器那么小——這些都是限制如今dToF傳感器尺寸的原因。

圖6，來源：TechInsights

從TechInsights近期公布的消息來看，iPad Pro 2020應(yīng)用的LiDAR傳感器可能來自索尼(但索尼已公開的DepthSense 3D Sensor似乎只有iToF方案)，尺寸是18.0mm2，單像素大小10μm，分辨率具體為3萬像素(圖6)。雖然我們無法明確這顆傳感器具體所用的是何種像素工藝及結(jié)構(gòu)，但考慮到iPad成像模組的大小，這個像素數(shù)量在dToF類別中應(yīng)該已經(jīng)相當(dāng)高了。iFixit公布的拆解視頻中，也提到其LiDAR紅外照明點的密度也遠(yuǎn)低于前置結(jié)構(gòu)光的Face ID——這當(dāng)然也是必然的。

從iPhone 7到iPad Pro 2020的發(fā)展，實則就是ToF從測距到3D感知的發(fā)展史，僅在短短的這些年間。

當(dāng)然不止是蘋果，LG、黑莓、華為等一眾手機廠商實際也早就開始應(yīng)用ToF方案了。華為Mate 20 Pro手機在距離感應(yīng)方案上就應(yīng)用了來自ams的ToF模組。從System Plus Consulting的拆解來看，這款手機的前置成像模組中包含了一個來自ams的128像素SPAD光電探測器，像素尺寸15μm;當(dāng)然還有VCSEL光源。

比較有趣的是Mate 20 Pro的前置光學(xué)模組中的3D感知系統(tǒng)實際并不僅有ToF。主要用于面部識別的應(yīng)該是個典型的結(jié)構(gòu)光模組，其中的VCSEL激光光源都有兩個，分別用于點陣投射器(DOT projector)和泛光照明器(flood illuminator)，而且來自不同的供應(yīng)商。當(dāng)然這是題外話了。

3D感知正在普及的iToF

到了華為P30 Pro，后攝方案中也開始應(yīng)用ToF技術(shù)，整體方案來自索尼。這應(yīng)該是個iToF方案，圖像傳感器相對常規(guī)，像素尺寸10μm，4.7萬像素;用于泛光照明的VCSEL光源來自Lumentum。

像iPad Pro那樣在小尺寸移動設(shè)備上選擇dToF做較大范圍的3D檢測，現(xiàn)在看來似乎仍是個比較奢侈的方案。因為如前文所述，dToF原理雖然直接，而且更為精確，但它對各組件的時間抖動要求是比較高的，且要求更大的輸出功率。相對的iToF精度更低，卻更容易實現(xiàn)高幀率，對各部分組件的技術(shù)要求也會相對低一些。