ToF測距晶片達4 m,從手機擴展到更多應用

作者　王瑩

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201802/376178.htm

　　雷射測距已成為手機拍照的標配，手機3D測距是下一個測距的難點與應用方向。與此同時，非手機類測距應用也不斷湧現。ST的4 m長距離測距傳感器的推出，使室內無人機定高、刷臉開門等測距應用成為可能。

ToF測距晶片增長快

　　近日，意法半導體(ST)影像產品部技術市場經理張程怡來京，介紹了在2018年2月發布的第三代FlightSenseTM光學飛行時間(ToF)測距傳感器VL53L1，探測距離由原來的2 m擴展到4 m。

　　張程怡稱，FlightSense的銷量在世界數一數二，特點是發/收集成於一塊晶片上(如圖1)，體積小、功耗低、符合安規。據悉，FlightSense的前兩代出貨量已累計超過3.5億顆，年增長率300%。最大的應用是手機的自動對焦，已用於70餘款手機，被超過15家手機廠商採用。此外，顯示面板、機器人、衛浴龍頭測距等應用在增長，FlightSense第三代產品的推出，有望在室內無人機等更多領域應用。

FlightSense集成了發/收端

　　FlightSense晶片有兩個孔(非常微小，肉眼幾乎看不到)，其中一個孔發射雷射，另一個孔接收雷射。

　　其中接收端是基礎。接收端實際上是感應器，這種光學感應器不只是有照相功能(註：照相只是顯示)。因為RGB(紅綠藍)的組合可以產生各種顏色的成像，但如果不成像，仍然是有信號的，所以ST FlightSense的基礎在於做接收端，後來又發展出了發射端，把二者做成一整套方案。

　　為什麼需要一整套方案?因為發/收之後，可以計算二者的時間差(ToF，飛行時間)。那麼什麼是時間差?過去通常電子測距或者接近傳感器比較常用的方法叫強度差——我發了紅外光或者雷射，發射有很高的能量，假設將它量化為100，那麼如果現在回來只有10，表示距離很遠，因為90%的能量不見了;但如果回來90，表示距離很近。目前一些手機的傳感器仍採用這種方法測距，缺點是沒有精準的數據。

　　為何強度差方法難以有準確的測距?因為測距有如下難點：

　　一是目標的反射率和環境光影響。反射率取決於顏色和材質。例如黑色由於吸收率高，因而反射率非常低;白光正好倒過來——反射率非常高，因吸收非常少。但從能量角度看，代表你發一定的能量，這兩種顏色的目標回來後的差別很大。但如果用時間差方法，影響較小。

　　二是環境光。環境光的某些波段會與紅外或雷射的波段接近，也會造成誤差。

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

測距高達4 m的原因

　　那麼，為何第三代FlightSense的測距變長?是否是發射器的雷射強度比以前更強了?答案是否定的。實際上雷射強度與前代是一樣的，而只是在封裝時在接收端加上了樹脂材料的光學片套件，使接收光的角度擴大了，因此接收光量變大;另外，在算法上優化，可濾掉不正確或無意義的信號，即提高了濾雜信號能力。

　　發射光為什麼不能更大呢?因為有相關安規的限制。如果發射大了，工業上是允許的，但ST非常大的側重點是在消費類電子上。

　　由於發/收端集成在一起，FlightSense的一大優勢是體積小。而市面上很多方案，無論是傳統的紅外，還是雷射方案，要麼塊頭大，要麼是發、收分開的兩個方案。兩個分開方案的缺點不僅體積大，而且要把元器件分別焊上，再把必要的參數調整好，調節非常麻煩。而發/收集成的好處是尺寸已鎖死，減少了調節。

ToF測距在手機的應用

　　*攝像頭對焦

　　傳統的拍攝方法首先是對焦，需要花時間對焦，尤其是在光線昏暗場合，對焦時間長，而且困難。現在的方案是通過自發光得到距離，然後把攝像頭引導到一個合適對焦的地方。

　　手機廠商於2014年開始了更精細化的探索(註：ST於2014年二季度推出第一代ToF測距產品VL6180)。經過多年努力，現在測距更加細緻化，例如能夠打出一個框，在其中能夠劃分不同的格，即多距測量，這樣可以知道主角在什麼地方(分辨的原則是取近不取遠、取大不取小等)，然後可以對主角做更精確的對焦。

　　*控制閃光燈的強度和角度

　　閃光燈也可以更有目的性地投射，首先判斷出人/人臉和目標物體的位置，然後控制閃光燈的強度和角度。

　　可見，雙攝像頭、多距、多掃描，使目標和背景能夠分開。

　　*3D人臉識別

　　蘋果的iPhone X採用了3D人臉識別，也是多距測量的一種應用。目前ST與手機廠商正在開發Turn-key(交鑰匙)方案，估計國內手機廠商推出類蘋果的方法，還需要兩三年的時間。

　　在算法上，目前最大的困難在於會被蒙，例如被照片或布娃娃等蒙蔽，測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，系統可以發現並把照片圖像刪除掉。也許一些手機廠商的方案現在已做到最後判斷不是你，但判斷的時間太長了。ST會協助手機廠商開發，首先你這個人臉要擺在對的位置，如果你不願意站到合適的位置，系統可以調整到看你的最佳位置，然後首先判斷是不是人臉(註：人臉有基本的配置圖和比例圖，諸如兩眼距離和整個臉長的距離)，再進行進一步判斷。

　　從ST角度看，3D測距首選需要刪除(判斷是否是人臉，若不是，把圖片刪除掉)，然後是分辨。

　　為何做這種方案需要兩年左右的時間?因為算法不容易。蘋果採用了一種特殊的結構光做法，抓的是光的形狀變化(註：ToF主要是時間差，但時間差只能得出距離，它還有光的形狀變化)，所以它發出的是一種結構光，有很特殊的pattern(圖案)，這種光發出去是一種類似於菱形的曲線，這個圖案如果是被全平面反射回來，圖案不變形。

　　如果對著人臉，圖案反射回去就散掉了，怎麼把這個圖案抓回來，又能夠計算出來?例如能夠計算出鼻子不是很平，所以這是一種很強大的算法。蘋果三年前曾收購了一家以色列的LinX 公司，擁有了一套特殊的技術。但這不是絕對的做法。結構光只是3D視覺識別的一種做法，至少在蘋果公司之外都是用攝像頭影像的解析，用點數在抓距離，也是可以做的。

測距在非手機類的應用

　　*手勢開關(非方向性)，開和關。目前的方案還無法分辨方向性，例如手勢從左邊來還是右邊來。但能分辨出這個信號是中斷的，所以可用於簡易開關。例如水龍頭的手勢開關。

　　*室內無人機。過去無人機主要用於戶外。這兩年市場發生了一些變化，玩具類的無人機/小航模一直在往高檔走(例如給會議室裡的人員拍照，或者人們出門旅遊/騎行，相關APP放在口袋裡，無人機就在你的頭頂上一路跟著跑)，反而戶外很專業的發燒友用無人機市場慢慢縮小了。因此，現在要麼你很專業，例如能夠到新疆去澆花;要麼很好玩，同時又不能貴到只有發燒友大人才能玩得起。

　　在室內高檔無人機應用上，ST新一代的FlightSense能做到4 m測距，正好滿足室內無人機的需求。定位精度一般是3%~5%，用於定高和防撞等。

　　*對焦輔助裝置與場景。例如移動投影儀，在不同的會議室要手動調節焦距和形變，如果能像手機一樣測距，再配上自動對焦，會方便很多。

ST三代傳感器的應用案例

　　ST的FlightSense有三代產品。第一代產品是VL6180X，15fps，是40 cm+環境光傳感器，2014年第二季度推出;第二代是VL53L0X，為30fps，最大200 cm，是2016年以來主推的;新的第三代是VL53L1X，為60fps，最大400 cm，2018年2月問世。其應用如圖4。

　　*第一代測距傳感器——VL6180系列可用於教育面板，因為家長特別在乎孩子眼睛是不是看得太近。專業的筆記本上也有測距器件，不只是監控閱讀的距離，同時也做了開關，當人離開後就把屏幕關掉，以實現節能和保密。還有智能家居面板與服務機器人，它們在沒人的時候會關閉，有人過來後會開啟。

　　還有智能燈、麥克風、掃地機器人等。

　　其中，Amiro智能化妝鏡很有創意，其外緣有一圈智能燈。有時候你在家裡的化妝鏡前，明明塗的是桃紅色3號口紅，結果一去宴會會場它卻成了紫色8號的顏色。原因是環境光的影響。所以Amiro鏡子有幾種模擬光，可模擬太陽光、室內光等，以實現精準的科學模擬。例如你今天主要是去野餐的，你今天就要用它的3號光，你的桃色3號口紅在野外就會呈現這個顏色。FlightSense用於感應到你是否到鏡子面前，此方案中的最遠感應距離約20 cm。

　　*第二代測距傳感器VL53L0X的測距更遠，達2 m。可以用於衛浴，現在還在發展衝水馬桶，但它對可靠性要求比較嚴苛，因為要求檢測率達100%。還可用於距離更遠的照明開關，例如辦公室的燈。廣告機的測距距離也要更遠，有人就自動開啟。

　　*第三代測距傳感器VL53L1X於2018年2月推到市場，可用於探測距離達4 m的無人機，用於定高。還有室內機器人/掃地機器人的避障等。另外一個有前景的應用是室內門禁，門禁機開始採用人臉識別，然而常發生這樣一個尷尬現象，識別需要很長時間，識別完後，門又擋住了人，又需要再回去感應，如何在識別完成後，人一動，門就會迅速打開，這就需要對距離有非常敏銳感覺的感應器。再有，投影儀和相機，有了測距能夠拍攝得更遠更好。

結論

　　ToF測距傳感器的探測距離已達4 m，拓展了在消費電子和商業中的應用。

　　本文來源於《電子產品世界》2018年第3期第81頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。