ToF測(cè)距芯片達(dá)4 m，從手機(jī)擴(kuò)展到更多應(yīng)用

作者　王瑩

　　激光測(cè)距已成為手機(jī)拍照的標(biāo)配，手機(jī)3D測(cè)距是下一個(gè)測(cè)距的難點(diǎn)與應(yīng)用方向。與此同時(shí)，非手機(jī)類(lèi)測(cè)距應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。ST的4 m長(zhǎng)距離測(cè)距傳感器的推出，使室內(nèi)無(wú)人機(jī)定高、刷臉開(kāi)門(mén)等測(cè)距應(yīng)用成為可能。

ToF測(cè)距芯片增長(zhǎng)快

　　近日，意法半導(dǎo)體(ST)影像產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡來(lái)京，介紹了在2018年2月發(fā)布的第三代FlightSenseTM光學(xué)飛行時(shí)間(ToF)測(cè)距傳感器VL53L1，探測(cè)距離由原來(lái)的2 m擴(kuò)展到4 m。

　　張程怡稱(chēng)，F(xiàn)lightSense的銷(xiāo)量在世界數(shù)一數(shù)二，特點(diǎn)是發(fā)/收集成于一塊芯片上(如圖1)，體積小、功耗低、符合安規(guī)。據(jù)悉，F(xiàn)lightSense的前兩代出貨量已累計(jì)超過(guò)3.5億顆，年增長(zhǎng)率300%。最大的應(yīng)用是手機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦，已用于70余款手機(jī)，被超過(guò)15家手機(jī)廠(chǎng)商采用。此外，顯示面板、機(jī)器人、衛(wèi)浴龍頭測(cè)距等應(yīng)用在增長(zhǎng)，F(xiàn)lightSense第三代產(chǎn)品的推出，有望在室內(nèi)無(wú)人機(jī)等更多領(lǐng)域應(yīng)用。

FlightSense集成了發(fā)/收端

　　FlightSense芯片有兩個(gè)孔(非常微小，肉眼幾乎看不到)，其中一個(gè)孔發(fā)射激光，另一個(gè)孔接收激光。

　　其中接收端是基礎(chǔ)。接收端實(shí)際上是感應(yīng)器，這種光學(xué)感應(yīng)器不只是有照相功能(注：照相只是顯示)。因?yàn)镽GB(紅綠藍(lán))的組合可以產(chǎn)生各種顏色的成像，但如果不成像，仍然是有信號(hào)的，所以ST FlightSense的基礎(chǔ)在于做接收端，后來(lái)又發(fā)展出了發(fā)射端，把二者做成一整套方案。

　　為什么需要一整套方案?因?yàn)榘l(fā)/收之后，可以計(jì)算二者的時(shí)間差(ToF，飛行時(shí)間)。那么什么是時(shí)間差?過(guò)去通常電子測(cè)距或者接近傳感器比較常用的方法叫強(qiáng)度差——我發(fā)了紅外光或者激光，發(fā)射有很高的能量，假設(shè)將它量化為100，那么如果現(xiàn)在回來(lái)只有10，表示距離很遠(yuǎn)，因?yàn)?0%的能量不見(jiàn)了;但如果回來(lái)90，表示距離很近。目前一些手機(jī)的傳感器仍采用這種方法測(cè)距，缺點(diǎn)是沒(méi)有精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

　　為何強(qiáng)度差方法難以有準(zhǔn)確的測(cè)距?因?yàn)闇y(cè)距有如下難點(diǎn)：

　　一是目標(biāo)的反射率和環(huán)境光影響。反射率取決于顏色和材質(zhì)。例如黑色由于吸收率高，因而反射率非常低;白光正好倒過(guò)來(lái)——反射率非常高，因吸收非常少。但從能量角度看，代表你發(fā)一定的能量，這兩種顏色的目標(biāo)回來(lái)后的差別很大。但如果用時(shí)間差方法，影響較小。

　　二是環(huán)境光。環(huán)境光的某些波段會(huì)與紅外或激光的波段接近，也會(huì)造成誤差。

　　為了提高精度，出現(xiàn)了利用時(shí)間差(ToF)測(cè)距，原理如圖3。需要配套算法及配套方案，能夠精確地測(cè)距。

測(cè)距高達(dá)4 m的原因

　　那么，為何第三代FlightSense的測(cè)距變長(zhǎng)?是否是發(fā)射器的激光強(qiáng)度比以前更強(qiáng)了?答案是否定的。實(shí)際上激光強(qiáng)度與前代是一樣的，而只是在封裝時(shí)在接收端加上了樹(shù)脂材料的光學(xué)片套件，使接收光的角度擴(kuò)大了，因此接收光量變大;另外，在算法上優(yōu)化，可濾掉不正確或無(wú)意義的信號(hào)，即提高了濾雜信號(hào)能力。

　　發(fā)射光為什么不能更大呢?因?yàn)橛邢嚓P(guān)安規(guī)的限制。如果發(fā)射大了，工業(yè)上是允許的，但ST非常大的側(cè)重點(diǎn)是在消費(fèi)類(lèi)電子上。

　　由于發(fā)/收端集成在一起，F(xiàn)lightSense的一大優(yōu)勢(shì)是體積小。而市面上很多方案，無(wú)論是傳統(tǒng)的紅外，還是激光方案，要么塊頭大，要么是發(fā)、收分開(kāi)的兩個(gè)方案。兩個(gè)分開(kāi)方案的缺點(diǎn)不僅體積大，而且要把元器件分別焊上，再把必要的參數(shù)調(diào)整好，調(diào)節(jié)非常麻煩。而發(fā)/收集成的好處是尺寸已鎖死，減少了調(diào)節(jié)。

ToF測(cè)距在手機(jī)的應(yīng)用

　　*攝像頭對(duì)焦

　　傳統(tǒng)的拍攝方法首先是對(duì)焦，需要花時(shí)間對(duì)焦，尤其是在光線(xiàn)昏暗場(chǎng)合，對(duì)焦時(shí)間長(zhǎng)，而且困難?，F(xiàn)在的方案是通過(guò)自發(fā)光得到距離，然后把攝像頭引導(dǎo)到一個(gè)合適對(duì)焦的地方。

　　手機(jī)廠(chǎng)商于2014年開(kāi)始了更精細(xì)化的探索(注：ST于2014年二季度推出第一代ToF測(cè)距產(chǎn)品VL6180)。經(jīng)過(guò)多年努力，現(xiàn)在測(cè)距更加細(xì)致化，例如能夠打出一個(gè)框，在其中能夠劃分不同的格，即多距測(cè)量，這樣可以知道主角在什么地方(分辨的原則是取近不取遠(yuǎn)、取大不取小等)，然后可以對(duì)主角做更精確的對(duì)焦。

　　*控制閃光燈的強(qiáng)度和角度

　　閃光燈也可以更有目的性地投射，首先判斷出人/人臉和目標(biāo)物體的位置，然后控制閃光燈的強(qiáng)度和角度。

　　可見(jiàn)，雙攝像頭、多距、多掃描，使目標(biāo)和背景能夠分開(kāi)。

　　*3D人臉識(shí)別

　　蘋(píng)果的iPhone X采用了3D人臉識(shí)別，也是多距測(cè)量的一種應(yīng)用。目前ST與手機(jī)廠(chǎng)商正在開(kāi)發(fā)Turn-key(交鑰匙)方案，估計(jì)國(guó)內(nèi)手機(jī)廠(chǎng)商推出類(lèi)蘋(píng)果的方法，還需要兩三年的時(shí)間。

　　在算法上，目前最大的困難在于會(huì)被蒙，例如被照片或布娃娃等蒙蔽，測(cè)距方法是如果是人臉，五官離鏡頭的距離是不同的，因此如果拿一張照片來(lái)，系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)并把照片圖像刪除掉。也許一些手機(jī)廠(chǎng)商的方案現(xiàn)在已做到最后判斷不是你，但判斷的時(shí)間太長(zhǎng)了。ST會(huì)協(xié)助手機(jī)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)，首先你這個(gè)人臉要擺在對(duì)的位置，如果你不愿意站到合適的位置，系統(tǒng)可以調(diào)整到看你的最佳位置，然后首先判斷是不是人臉(注：人臉有基本的配置圖和比例圖，諸如兩眼距離和整個(gè)臉長(zhǎng)的距離)，再進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

　　從ST角度看，3D測(cè)距首選需要?jiǎng)h除(判斷是否是人臉，若不是，把圖片刪除掉)，然后是分辨。

　　為何做這種方案需要兩年左右的時(shí)間?因?yàn)樗惴ú蝗菀?。蘋(píng)果采用了一種特殊的結(jié)構(gòu)光做法，抓的是光的形狀變化(注：ToF主要是時(shí)間差，但時(shí)間差只能得出距離，它還有光的形狀變化)，所以它發(fā)出的是一種結(jié)構(gòu)光，有很特殊的pattern(圖案)，這種光發(fā)出去是一種類(lèi)似于菱形的曲線(xiàn)，這個(gè)圖案如果是被全平面反射回來(lái)，圖案不變形。

　　如果對(duì)著人臉，圖案反射回去就散掉了，怎么把這個(gè)圖案抓回來(lái)，又能夠計(jì)算出來(lái)?例如能夠計(jì)算出鼻子不是很平，所以這是一種很強(qiáng)大的算法。蘋(píng)果三年前曾收購(gòu)了一家以色列的LinX 公司，擁有了一套特殊的技術(shù)。但這不是絕對(duì)的做法。結(jié)構(gòu)光只是3D視覺(jué)識(shí)別的一種做法，至少在蘋(píng)果公司之外都是用攝像頭影像的解析，用點(diǎn)數(shù)在抓距離，也是可以做的。

測(cè)距在非手機(jī)類(lèi)的應(yīng)用

　　*手勢(shì)開(kāi)關(guān)(非方向性)，開(kāi)和關(guān)。目前的方案還無(wú)法分辨方向性，例如手勢(shì)從左邊來(lái)還是右邊來(lái)。但能分辨出這個(gè)信號(hào)是中斷的，所以可用于簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)。例如水龍頭的手勢(shì)開(kāi)關(guān)。

　　*室內(nèi)無(wú)人機(jī)。過(guò)去無(wú)人機(jī)主要用于戶(hù)外。這兩年市場(chǎng)發(fā)生了一些變化，玩具類(lèi)的無(wú)人機(jī)/小航模一直在往高檔走(例如給會(huì)議室里的人員拍照，或者人們出門(mén)旅游/騎行，相關(guān)APP放在口袋里，無(wú)人機(jī)就在你的頭頂上一路跟著跑)，反而戶(hù)外很專(zhuān)業(yè)的發(fā)燒友用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)慢慢縮小了。因此，現(xiàn)在要么你很專(zhuān)業(yè)，例如能夠到新疆去澆花;要么很好玩，同時(shí)又不能貴到只有發(fā)燒友大人才能玩得起。

　　在室內(nèi)高檔無(wú)人機(jī)應(yīng)用上，ST新一代的FlightSense能做到4 m測(cè)距，正好滿(mǎn)足室內(nèi)無(wú)人機(jī)的需求。定位精度一般是3%~5%，用于定高和防撞等。

　　*對(duì)焦輔助裝置與場(chǎng)景。例如移動(dòng)投影儀，在不同的會(huì)議室要手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距和形變，如果能像手機(jī)一樣測(cè)距，再配上自動(dòng)對(duì)焦，會(huì)方便很多。

ST三代傳感器的應(yīng)用案例

　　ST的FlightSense有三代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品是VL6180X，15fps，是40 cm+環(huán)境光傳感器，2014年第二季度推出;第二代是VL53L0X，為30fps，最大200 cm，是2016年以來(lái)主推的;新的第三代是VL53L1X，為60fps，最大400 cm，2018年2月問(wèn)世。其應(yīng)用如圖4。

　　*第一代測(cè)距傳感器——VL6180系列可用于教育面板，因?yàn)榧议L(zhǎng)特別在乎孩子眼睛是不是看得太近。專(zhuān)業(yè)的筆記本上也有測(cè)距器件，不只是監(jiān)控閱讀的距離，同時(shí)也做了開(kāi)關(guān)，當(dāng)人離開(kāi)后就把屏幕關(guān)掉，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和保密。還有智能家居面板與服務(wù)機(jī)器人，它們?cè)跊](méi)人的時(shí)候會(huì)關(guān)閉，有人過(guò)來(lái)后會(huì)開(kāi)啟。

　　還有智能燈、麥克風(fēng)、掃地機(jī)器人等。

　　其中，Amiro智能化妝鏡很有創(chuàng)意，其外緣有一圈智能燈。有時(shí)候你在家里的化妝鏡前，明明涂的是桃紅色3號(hào)口紅，結(jié)果一去宴會(huì)會(huì)場(chǎng)它卻成了紫色8號(hào)的顏色。原因是環(huán)境光的影響。所以Amiro鏡子有幾種模擬光，可模擬太陽(yáng)光、室內(nèi)光等，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的科學(xué)模擬。例如你今天主要是去野餐的，你今天就要用它的3號(hào)光，你的桃色3號(hào)口紅在野外就會(huì)呈現(xiàn)這個(gè)顏色。FlightSense用于感應(yīng)到你是否到鏡子面前，此方案中的最遠(yuǎn)感應(yīng)距離約20 cm。

　　*第二代測(cè)距傳感器VL53L0X的測(cè)距更遠(yuǎn)，達(dá)2 m。可以用于衛(wèi)浴，現(xiàn)在還在發(fā)展沖水馬桶，但它對(duì)可靠性要求比較嚴(yán)苛，因?yàn)橐髾z測(cè)率達(dá)100%。還可用于距離更遠(yuǎn)的照明開(kāi)關(guān)，例如辦公室的燈。廣告機(jī)的測(cè)距距離也要更遠(yuǎn)，有人就自動(dòng)開(kāi)啟。

　　*第三代測(cè)距傳感器VL53L1X于2018年2月推到市場(chǎng)，可用于探測(cè)距離達(dá)4 m的無(wú)人機(jī)，用于定高。還有室內(nèi)機(jī)器人/掃地機(jī)器人的避障等。另外一個(gè)有前景的應(yīng)用是室內(nèi)門(mén)禁，門(mén)禁機(jī)開(kāi)始采用人臉識(shí)別，然而常發(fā)生這樣一個(gè)尷尬現(xiàn)象，識(shí)別需要很長(zhǎng)時(shí)間，識(shí)別完后，門(mén)又擋住了人，又需要再回去感應(yīng)，如何在識(shí)別完成后，人一動(dòng)，門(mén)就會(huì)迅速打開(kāi)，這就需要對(duì)距離有非常敏銳感覺(jué)的感應(yīng)器。再有，投影儀和相機(jī)，有了測(cè)距能夠拍攝得更遠(yuǎn)更好。

結(jié)論

　　ToF測(cè)距傳感器的探測(cè)距離已達(dá)4 m，拓展了在消費(fèi)電子和商業(yè)中的應(yīng)用。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第81頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。