浅析3D ToF模组量产的难点

据麦姆斯咨询报道，在过去的一年里，苹果公司结合其人工智能（AI）技术和3D摄像头设计推出了iPhone X，引爆了3D视觉产业。飞行时间（Time-of-Flight）传感器作为3D视觉中的重要一员，也越来越受到客户的追捧。但是要将ToF传感器设计成一套完整的、满足客户应用需求、并最终能够走到量产阶段的产品，对设计、制造、封装以及客户与供应商的配合要求极高。瑞士公司瑷镨瑞思（ESPROS）已经实现3D ToF芯片及模组的量产，为此，ESPROS中国区市场销售总监金丰先生出席由麦姆斯咨询和上海科技会展有限公司在上海跨国采购会展中心主办的『第二十四届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』，并在会议上为观众分享了解决3D ToF模组量产问题的心得。

ESPROS中国区市场销售总监金丰先生发表题为《量产为王——浅析3D ToF模组量产的难点》的演讲

难点一：设计阶段选择正确参数和元器件ToF模组由镜头、光源、软件、ToF图像传感器、光源驱动电路、接口、电源、控制器（或FPGA，即现场可编程门阵列）以及其他相关变量参数等九部分组成。金丰先生分析了相关变量参数对ToF模组的影响：“比如镜头的杂闪光，就很难用软件处理。又或者量产客户会了解到，随着温度的上升，整个ToF系统的灵敏度或者精度会下降，造成这个现象的原因可能是包括镜头、发送光源、接收芯片、驱动电路、供电等多因素所造成。所以如果要设计可靠的ToF系统，需要对所有的部分非常熟悉地掌握。因此，在设计ToF系统之前，用户必须对实际应用场景非常清楚，才能正确地选择ToF系统设计的重要参数，包括探测角度、精度、准度、帧率、接口等。”

设计ToF模组前需要熟悉的九个主要组成部分

计算光功耗也很重要，金丰先生谈到“您可以选择很好的LED或者VCSEL，但你同时也需要考虑成本、体积、功耗、散热。当参数最终确定并设计出样品之后，ToF模组量产之路才完成了30%。”难点二：ToF模组的标定和补偿设计阶段完成后，如何对ToF模组进行标定和补偿是量产前的最大难点，目前能够对ToF传感器提供标定补偿整体解决方案原厂非常少，因此也制约了客户的大批量出货。金丰先生解释“电子信号在芯片里的传播速度是1cm/ns，然而光的速度是30cm/ns，如果传感器的所有测量距离精度要达到1.5厘米之内，芯片的完整信号处理必须控制在100ps之内，这是非常困难的。我们做标定和补偿，目标是通过软件降低各种元素对整个ToF模组的影响。”不过，要完全消除外界因素对ToF模组的影响是非常困难的，现实和理论的差距来自两部分：“第一部分来自传感器的设计、生产等因素；第二部分，实际应用中也会面临一些问题，比如说光源的发热、室外太阳光的干扰。我们需要做的是对每个模组进行标定和补偿，通过软件和算法进行优化，才能得到非常完美的ToF模组。”金丰解释道。金丰先生展示了ESPROS完整的标定补偿方式，“这款更加智能的标定套件，大小和鞋盒子相当，通过改变前面的面板就可以实现不同客户使用同样一套标定补偿系统。ESPROS在芯片设计之初，基于这么多年对ToF传感器的专业认知，我们内置了很多寄存器，能够实现0~15米范围内全部像素以30cm为步进的线性标定补偿，并且在两个月之前我们进一步开放了升级版的标定和补偿系统，并进一步开放了芯片的寄存器，能够实现以毫米为步进的线性标定补偿，该类标定补偿效果对人脸识别和3D建模非常有用。”

ESPROS提供的量产标定和补偿方案

难点三：数据和图像的改善，以及人眼安全问题产品做出来了，不代表马上能够大量出货，金丰先生分享了曾经遇到的典型客户应用问题。以拍照为例，好的摄影师和好的摄影设备缺一不可，另外非常重要的一点就是需要对照片进行“修图（PS）”。通俗来讲“我们也会针对于客户的不同应用，提供不同滤波算法。比如说非常简单的卡尔曼滤波适合室内3D建模，增加滤波后，精度能够很好的从厘米级精度改善到毫米级精度。非常重要的一点是，不同的滤波器一定要对应不同的应用，例如高斯滤波、边界滤波或者平滑滤波均有其独特的应用场景。我们的最终目的是通过不同的滤波算法更好地匹配应用。”对于多机干扰的问题，ESPROS也有相应的解决方案，能够直接在芯片理论层面上为客户解决。

ESPROS从芯片理论层面上为客户解决多机干扰问题

在实际ToF模组的设计过程中，客户往往希望得到更广的角度、更高的帧率和更远的距离，这会导致选择发射光源时面临人眼安全问题。金丰先生介绍“我们目前在跟瑞士一所大学合作，一起研究制定人眼安全标准。因为ToF模组的应用场景非常多，不管是家用扫地机器人，还是路上的自动驾驶汽车，都需要满足人眼安全，这样才能够让所有基于ToF模组的应用不伤害人眼。”灵活的解决方案，满足3D视觉产业链不同位置的客户需求金丰先生谈到“ToF产业链涉及最终应用客户，还有模组厂、方案商，也包括如VCSEL和Lens（镜头）的合作伙伴。我们经过多年的积累，也希望给产业链的不同客户提供整体解决方案。”

ESPROS目前量产芯片目录ESPROS提供多种解决方案，满足不同的客户需求

针对产业链最顶端，或者说是终端客户，不一定都需要从底层芯片开始设计ToF模块，但又有实际的应用需求。金丰先生推荐了几家方案合作商，如北醒（北京）光子、北京洛伦兹、上海数迹智能和深圳海伯森。针对有自己的软件开发、接口、处理器，不一定需要整体模块的客户，金丰先生在研讨会上向大家推荐了新推出的两款产品：

（1）epc660模组：体积非常小，具备高精度的标定补偿，非常适合做人脸识别和3D建模；

（2）epc635模组：体积只有8.3mm x 11.2mm x4.5mm，搭配VCSEL，最远距离室内可达10米以上，适合扫地机器人、无人机等方案商。

如果客户提出具体的模组定制化需求，金丰先生也有办法：“我们会提供整套解决方案，会推荐客户从ESPROS开发套件开始着手。根据客户的应用需求，我们也会推荐不同的镜头厂商，这样客户就可以根据自己的需求选择不同的镜头来测试。我们也会提供光学仿真表，包括LED、VCSEL的光源资料和芯片周边的参考。最重要的一点：我们的目的不是为了去设计ToF系统，而是为了让所有的客户能够直接做到量产阶段，进而使ToF传感器真正带领人们在实际应用中得到更真实的3D世界感受。”