浅谈DToF技术原理
导语
苹果公司在3月18日发布新款ipad pro等产品，基于新搭载的DToF激光雷达，有望将AR应用效果的精确度、流畅性提高到新的级别，同时可以降低设备功耗。国内的3D摄像头公司对TOF技术很熟悉，大家使用的都是基于IToF的方案；DToF技术多数厂商还都很陌生，国内的相关产业链也还不成熟，网上关于DToF的资料也相对较少，为了更好的理解DToF技术，根据从去年下半年开始对DToF的追踪，我们整理了这篇文章，目的是方便大家加深对这个技术的理解。
IToF (indirect ToF) 基本原理
目前网上有挺多关于IToF技术讲解的文章，但是很少有清楚的计算过程讲解，读者也很难理解具体的推算过程；由于公式打字比较困难，所以下面我们手写了推导公式，整个过程本质是三角函数的变换，求出相位偏差，然后根据已知的c(光速），f(频率），计算出距离（d）；公式参数定义：发射的正弦信号s(t)振幅是a，调制频率是f，经过时延 △t后接收到的信号为接收r(t)，衰减后的振幅为A，强度偏移（由环境光引起）为B，四个采样时间间隔相等，均为T/4；
（图片由笔者整理汇总，仅供参考）
传统的CCD或CMOS传感器加上相位检测电路和时序控制电路，即IToF的基础硬件组成；IToF用相对简单的传感器电路搭配相对复杂的深度算法，以其相对较低的成本在消费类电子和刷脸支付等行业流行起来。
（图片来源于网络）
DToF (direct ToF) 基本原理
实现方法（单光子检测）
光在极其微弱时会离散成一个个的光子，称为单光子。单光子信号由于强度微弱且粒子性显著，常规技术难以对其检测，被认为是光电探测技术的极限，DToF技术克服了光电探测技术的难点，实现单光子检测。
计算公式（距离等于速度乘以时间）
DToF，是直接根据脉冲发射和接收的时间差来测算距离。激光发射的瞬间，电子时钟被激活。光束操纵单元将脉冲引导到所需方向。脉冲从目标反射回来，一部分被光电探测器所接收。
在响应中，与前端电子器件连接的光电探测器产生电信号，从而使时钟生效。通过测量飞行时间Δt，计算出与反射物体之间的距离d，计算式为d=cΔt/2，其中c指光在介质中的速度。
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DToF核心技术---SPAD（单光子雪崩二极管）
雪崩光电二极管有线性模式、盖革模式等几种工作状态，其中盖革模式的雪崩光电二极管由于其增益极高，常被用作单光子探测，也被称为单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，SPAD是实现DToF最核心的技术。
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DToF核心技术---TCSPC（时间相关单光子计数法）
时间相关单光子计数法(TCSPC，Time correlated single photon counting)测量光子时间信息的基本思想是将光子看作一个随机事件，对光子重复进行多个周期的测量后进行统计。在光信号非常微弱且探测频率很高时，有的周期内可能探测不到光子，有的周期内能够探测到一个光子，将光子的探测时间对应到某个时间段，这样在进行大量的重复测量后，对各时间段内的光子数目进行统计就能得到光子随时间变化的频率分布直方图，对直方图拟合即可获得光信号的强度变化。
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DToF和IToF技术方案对比
通过下面表格可以看出，DToF用SPAD技术，把IToF的波形测量切换为光子测量，但DToF深度算法相对简单；这种半导体工艺和技术的投入，几乎可以完美解决IToF技术的一些主要痛点，把TOF技术导入到更多的行业应用。
（图片由笔者整理汇总，仅供参考）
DToF技术之所以只有苹果一家在使用，除了缺乏相应的应用外，技术难度高也是重要原因，其中SPAD技术是核心挑战。
随着消费类电子的批量化使用DToF，核心的技术难点会逐渐解决，成本会逐步优化，加上应用内容的增多，DToF会为更多的消费者带来价值。
（图片由笔者整理汇总，仅供参考）
总结
随着DToF在高端消费电子领域的普及，笔者认为SPAD和相关的半导体技术会得到更多重视，国内产业链也会快速跟进。目前，国内的技术还处于IToF的国产化落地阶段，在DToF产业相对空白，国外可以量产的公司典型代表如Sony。
预计需要有一两年的时候， 随着产业链的逐渐成熟，基于DToF的应用内容出现，国内的DToF方案也会有落地，消费类电子如手机、平板电脑会首先适用，然后到刷脸支付等相关行业应用，逐步拓宽DToF的应用场景