Cos'è un sensore ToF, come funziona e su quali smartphone è presente

Nel panorama degli smartphone attuale tra i parametri che più interessano gli utenti, e che spesso giocano un ruolo in primo piano proprio nella valutazione e nella scelta finale del dispositivo, troviamo il comparto fotografico. Negli anni siamo stati abituati a vedere e leggere analisi dei comparti fotografici sempre più approfondite, all'interno delle quali abbiamo iniziato a sentire sempre più frequentemente i sensori Time of Flight (ToF).

Nei prossimi paragrafi capiremo come funziona esattamente un sensore ToF e perché si chiama così. Questo componente riveste particolare importanza per la sua presenza diffusa nel panorama smartphone, anche se il suo impiego è esteso anche ad altri settori tecnologici dove esistono fotocamere ToF indipendenti che possono funzionare connesse a diverse periferiche.

• Funzionamento dei sensori ToF
• Impiego dei sensori ToF
• Smartphone con fotocamera ToF

Dal punto di vista tecnico, i sensori ToF basano il loro funzionamento sulla luce infrarossa.

Il loro nome, time of flight - tempo di volo, corrisponde al fondamento del loro funzionamento. La fotocamera ToF invia infatti un segnale di luce infrarossa verso l'oggetto da mappare, questa viene riflessa e torna al sensore stesso. In base al tempo impiegato per tornare indietro dal fascio infrarosso, ovvero dal tempo in cui il fascio di luce è stato "in volo", si riesce a calcolare la distanza dell'oggetto dalla fotocamera.

Quanto appena detto descrive in modo semplificato il funzionamento di un sensore ToF. In sostanza possiamo paragonarlo al funzionamento dei sensori d'impronte a ultrasuoni, che sono altrettanto diffusi nel settore smartphone. In questo caso, la variabile che entra in gioco è il tempo di volo del segnale preso in esame, mentre per i sensori d'impronte si tratta dei parametri geometrici delle onde sonore riflesse o rifratte.

Nel caso delle fotocamere ToF, il tempo di volo permette di calcolare la distanza dell'oggetto inquadrato dal sensore.

Questo implica che il punto forte, dal punto di vista computazionale e tecnico, dei sensori ToF è la sensibilità del calcolatore del tempo di volo. La velocità della luce infrarossa rimane costante, l'unica variabile da derivare è la distanza percorsa a partire proprio dal tempo trascorso dall'emissione alla ricezione del fascio di luce infrarossa.

I sensori ToF si rivelano quindi molto adatti a diversi tipi di utilizzo: poter calcolare con accuratezza la distanza di un oggetto dalla fotocamera è utile per realizzare scatti in modalità bokeh, perché si riesce a capire quali sono gli elementi da sfocare più o meno, realizzare una messa a fuoco più accurata soprattutto in condizioni di bassa luminosità, perché quello basato sulla trasduzione della luce infrarossa prescinde dalla luminosità ambientale, e anche per realizzare il riconoscimento facciale o degli oggetti in tre dimensioni.

Pertanto, i sensori ToF non migliorano soltanto i comparti fotografici degli smartphone ma possono svolgere un ruolo fondamentale anche in termini di sicurezza, perché possono essere integrati per realizzare il riconoscimento facciale in tre dimensioni che notoriamente risulta essere più sicuro di quello realizzato in due dimensioni.

Un altro impiego delle fotocamere ToF sui dispositivi mobili coinvolge le applicazioni in realtà aumentata e in realtà virtuale, soprattutto in termini di mappatura degli oggetti.

I sensori ToF non li troviamo soltanto nel mondo smartphone ma anche in quello relativo alle auto. Le vetture a guida autonoma infatti prevedono un massiccio impiego di sensori ToF per mappare l'ambiente circostante in tempo quasi reale e riconoscere gli oggetti che circondano la vettura.

Le fotocamere a tempo di volo le troviamo su diversi smartphone che circolano attualmente sul mercato. Andiamo quindi a vedere la piccola cronistoria dell'integrazione di questa tipologia di sensori nei dispositivi mobili che usiamo tutti i giorni. Precisiamo che si tratta di una cronistoria che include soltanto alcuni dei modelli principali con sensori ToF che abbiamo visto sul mercato negli ultimi anni:

• Tra i primissimi smartphone consumer a integrare una fotocamera ToF troviamo il Huawei Phab 2 Pro del 2016, uno smartphone che non ha mai visto ufficialmente le luci del mercato europeo.
• A inizio 2019 abbiamo visto Samsung lanciare il suo Galaxy S10 con fotocamera ToF sia posteriore che anteriore, così come ha fatto Huawei con il suo P30. In parallelo, Apple dalla fine del 2017 presenta una tecnologia concettualmente simile, basata sulla luce strutturata, per realizzare il riconoscimento facciale in tre dimensioni.
• Nel 2020 sempre più produttori hanno adottato una fotocamera ToF sui loro modelli di punta: l'abbiamo vista su Galaxy S20 Ultra, Huawei P40 Pro, Sony Xperia 1 II, Meizu 17 Pro.
• Nel 2021 le fotocamere ToF le troviamo su iPhone 12 Pro.
• Il 2022 ha segnato il grande passo al comparto LiDAR, costituito da una serie di sensori ToF, su iPhone 13 Pro e iPhone 13 Pro Max. Nel mondo Android, solo Honor Magic 4 Pro sembra aver creduto nei sensori ToF.