O que é o sensor ToF (Time-of-Flight) na câmera do celular?

ToF (Time-of-Flight) é um tipo de sensor capaz de medir a distância de um objeto, iluminando-o com infravermelho e capturando a luz refletida. Celulares utilizam essa tecnologia para fazer reconhecimento facial, ajustar o foco da imagem, e borrar o plano de fundo em fotos mudando a profundidade de campo.

Como funciona o sensor ToF

O sensor ToF é um sensor de profundidade que calcula distâncias usando a luz. Ele ilumina o objeto com uma fonte de luz pulsada, como um laser ou um LED; e mede quanto tempo a luz leva para ser refletida e voltar para a câmera.

A técnica se chama medição do “tempo de voo” (Time-of-Flight). O intervalo de tempo em que a luz viaja é proporcional à distância entre a câmera e o objeto, conforme explica a Texas Instruments.

Todo sensor ToF fica próximo à câmera principal. Ele mede as distâncias para cada pixel da imagem, resultando em um mapa de profundidade. Por isso, o sensor ToF é um sensor 3D, e seus dados podem ser usados para ajustar a profundidade de campo em fotos – o que normalmente exigiria mudar a distância focal da lente.

Um sistema Time-of-Flight possui 3 partes principais:

• módulo de iluminação: contém um laser ou LED, que gera a luz NIR (infravermelho próximo) a ser emitida em direção ao objeto;
• módulo do sensor ToF: coleta a luz refletida do objeto, convertendo-a em dados de profundidade em cada pixel;
• processador de profundidade: converte os dados recebidos do sensor ToF, combinando-os com informações de foco automático obtidas pelo sensor de imagem, para gerar o mapa de profundidade.

A luz pulsada (ou modulada) pelo sensor ToF é invisível ao olho humano. Ela costuma estar no espectro infravermelho próximo (NIR), com largura de onda de 850 nm ou 940 nm; isso significa que o sensor pode analisar somente raios de luz com uma frequência específica, reduzindo o ruído.

Smartphones mais simples às vezes trazem uma câmera de profundidade: um sensor de 2 megapixels ou 5 MP que trabalha junto à câmera principal. As duas câmeras capturam imagens a partir de pontos ligeiramente diferentes, que são processadas para gerar um mapa de profundidade. No entanto, esta técnica de visão estéreo tem precisão menor que o ToF.

ToF vs LiDAR: qual é a diferença?

O LiDAR é um tipo de sensor ToF: ele tem um scanner para distribuir feixes de laser, usados na medição do “tempo de voo” (Time-of-Flight) para medir distâncias. O LiDAR possui alcance maior em relação a outros sensores ToF 3D, porém tende a custar mais.

Aplicações da câmera ToF

• Reconhecimento facial: esta forma de biometria detecta os mínimos detalhes do seu rosto para maior segurança – de acordo com a Apple, a chance de uma pessoa aleatória desbloquear seu iPhone com Face ID é de uma em 1 milhão;
• Foco automático: o sensor ToF calcula a distância de objetos com precisão, ajudando a câmera no foco automático, em especial nas cenas com baixa luminosidade;
• Modo retrato: o efeito de fundo desfocado, para simular o modo retrato de câmeras profissionais, fica mais preciso graças ao sensor ToF;
• Realidade aumentada: o sensor 3D é usado para posicionar objetos virtuais no mundo real com mais precisão.

Sensores ToF também são usados em carros autônomos, robôs e drones para detectar objetos, mapear o ambiente ao redor, e evitar obstáculos. A tecnologia é aplicada para detecção de pessoas com maior privacidade (por não capturar imagem dos rostos), além de automação em fábricas e, de acordo com a Sony, até na agricultura, para monitorar a produtividade.

Vantagens e limitações de sensores Time-of-Flight

Os sensores ToF oferecem os seguintes benefícios:

• Precisão: câmeras ToF medem a distância precisa de forma mais rápida que sensores ultrassônicos ou a laser; e não são afetadas por variações de umidade do ar, pressão ou temperatura;
• Longo alcance: sensores ToF conseguem medir longas distâncias, com campo de visão de até 40 m em alguns casos;
• Segurança: esta câmera é segura para os olhos humanos, por usar luz infravermelha de baixa potência.

Apesar das vantagens acima, existem dois grandes “inimigos” para sensores Time-of-Flight:

• Fotos sob luz intensa: a luz forte pode impedir que câmeras ToF detectem o infravermelho refletido dos objetos, então elas podem ter dificuldades ao ar livre ou com superfícies muito brilhantes;
• Objetos com formato irregular: a medição de formas muito angulosas, ou muito curvas, pode ser distorcida se elas refletirem a luz várias vezes antes que ela chegue ao sensor ToF.

Quais celulares usam sensor ToF?

O primeiro celular com sensor ToF é o LG G3, lançado em 2014, de acordo com a consultoria TechInsights. O componente vinha junto à câmera traseira para ajudar no foco automático, segundo estudo da universidade TU Graz. O BlackBerry Passport e o LG G4 também possuem sensor ToF, conforme explica o AnandTech.

A Apple implementou um sensor ToF junto à câmera frontal do iPhone 7 para servir como sensor de proximidade, segundo a TechInsights; o iPhone X trouxe uma versão mais avançada dessa tecnologia para o Face ID. O sensor ToF foi usado no Huawei Honor View 20, de 2018, como um sensor de profundidade 3D para a câmera traseira.

Samsung, Xiaomi e Motorola também usam sensores ToF em smartphones premium como o Galaxy S20 Ultra, Mi 11 Ultra e Motorola Edge+.

Principais fabricantes

O setor de sensores ToF é altamente competitivo, e não tem empresas que dominam o mercado. Estas são as principais fabricantes desse tipo de componente:

• Texas Instruments
• STMicroelectronics
• Infineon
• Panasonic
• Sony
• Ams-OSRAM
• Sharp
• Teledyne
• Omron

O mercado de sensores ToF foi avaliado em US$ 3,28 bilhões em 2021 pela consultoria Straits Research; o setor deve crescer para US$ 13,93 bilhões até 2030. De acordo com a Mordor Intelligence, a demanda deve vir principalmente da Ásia-Pacífico, incluindo a China, para monitorar e inspecionar a fabricação de eletrônicos.