目标“深”不可测?别急,1D ToF传感器让你一测了然!

这些年,如何让机器获得能够感知距离的3D“视觉”能力,一直是一个热门的研究方向。不要小瞧这个在2D平面基础上添加的包含“深度”数据的第三维信息,它将为开发者提供一个给力的HMI(人机交互界面)工具,让他们设计的产品更容易打动用户的芳心。

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比如说,玩家进行3D体感游戏时,活动的不再仅仅是手指,而是全身都可以沉浸其中;3D人脸识别提供的有深度信息的人脸模型,让那种“用照片骗过摄像头”的做法不再奏效;一个智能设备,可以精准感知到“主人”的到来,而迅速被激活……

让机器设备获得这种深(距)度(离)感知能力的技术路径有很多。你可以使用红外接近传感器,不过它们大多作用距离短且测量精度不高。结构光是一种公认的高精度测量方法,不过其后处理算法比较复杂,需要消耗大量的计算资源,且光学系统的调校和维护也有门槛,想让它放下身段进入更广阔的消费级应用,并不容易……因此越来越多的人将目光聚焦在ToF(飞行时间)传感技术身上。

ToF技术的工作原理很好理解,它是通过测量从传感器发射出的光子或电磁波,遇到目标物体后反射回来所需的时间,精确计算出两者之间的距离(如图1)。与结构光技术相比,ToF方案无需复杂的后处理系统,系统简单、体积小、误差小,具有明显的成本优势,且抗干扰能力强,可以提供足够高的测距精度,因此这两年发展势头颇为强劲。

“图1:ToF技术通过测量光或电磁波往返的”
图1:ToF技术通过测量光或电磁波往返的
飞行时间来计算被测物体的距离(图源:ams)

现如今,尽管人们对可以支持数万个深度测量点、作为3D结构光人脸识别竞争技术的3D ToF投入了更多的关注,但实际上,更为简洁的、只提供一个深度点精准测距的1D ToF的应用空间更为广阔。如今的1D ToF产品已经可以在一个芯片级的解决方案中,实现相当出色的性能表现,帮助开发者大开脑洞,将实时、精准的测距功能植入到各种应用场景中。

性能出众的1D ToF传感器

今天,我们就来认识这样一款1D ToF传感器,并一起探索可由它开启的创新应用。这颗料,就是艾迈斯半导体(ams)最新推出的1D ToF传感器TMF8801。

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图2:ams最新推出的1D ToF传感器TMF8801外形紧凑
(图源:ams)

TMF8801在一个2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的紧凑封装中,集成了一个完整的1D ToF系统,包括:一个VCSEL红外发射器、多个SPAD(单光子雪崩光电二极管)光探测器、时间-数字转换器(TDC),以及一个用于算法处理的片上微控制器。

在工作时,TMF8801的VCSEL红外发射器经过光学部件打出光子,同时给TDC发出一个“开始”的信号,当光子遇到障碍物会反射回来,被TMF8801的接收端SPAD所接收,并导致 SPAD发生雪崩,从而给TDC一个“停止”的信号,TDC通过计算开始和停止信号之间的时间,即可获得光子往返的飞行时间,并计算出目标物体距传感器的远近。测量结果可直接输出给系统主控制器做后续的处理。

如果仅从上述的工作流程来看,TMF8801与其他1D ToF器件相比别无二致,但实际上由于TMF8801在很多细节上的优化,使得其在最终的性能表现上显得非比寻常。与采用间接ToF系统测量均距的产品相比,采用直接ToF时间测量方法的TMF8801能够提供准确度更高、更真实的距离测量结果。

1、实时精确的dToF测量

1D ToF从技术上讲可以分为iToF(非直接测距)和dToF(直接测距)两种。其中iToF通过测量发射波形和接收波形间的相位差换算飞行时间从而确定距离,而dToF是通过直接测量光子发射、接收飞行时间来确定距离。TMF8801采用的是dToF技术,因此与前者相比具有更快速的响应、更低的功耗,可有效消除iToF中存在的多径干扰的影响,且支持多物体同步精确检测。同时,由于TMF8801中集成了ams专有的 SPAD和具有极窄脉宽的TDC,也进一步强化了在实时性和测量精度上的优势,使其可以在2cm~2.5m距离内达到5%的测量精度,分辨率小于1mm。

“图3:TMF8801系统框图”
图3:TMF8801系统框图
其内置一个完整的1D ToF系统(图源:ams)

2、直方图输出实现更强抗扰能力

TMF8801避免多径干扰的一个“法宝”,就是其具有直接输出直方图数据的功能——相关数据处理由一个Arm Cortex M0片上微控制器完成。直方图是目标物体反射回来的红外光子数量在不同距离上的统计分布图,通过直方图可以直观地获知在测量范围内多个物体的距离信息。

“图4:TMF8801直方图中显示出的”
图4:TMF8801直方图中显示出的
多物体的数据信息(图源:ams)

除了多物体感测,直方图功能还可有效减少光学路径中玻璃盖板、油污等因素的干扰。这是因为玻璃盖板及附着在它上面的油污,其在直方图上的距离分布范围是固定的,因此很容易通过算法优化将这些干扰信号“滤除”掉。因此,此类光学路径中固定的干扰源不会影响TMF8801的工作。

“图5:直方图输出中油污距离位置固定”
图5:直方图输出中油污距离位置固定
可通过算法优化消除干扰(图源:ams)

3、自动校准确保测量精度

测量系统的校准是必不可少的,dToF需要进行的校准工作包括时间校准和光学校准,这些过程TMF8801都是自动实现的。

时间校准方面,为了避免内置时钟偏差,TMF8801会自动以系统时钟为标定,实时的校准;而光学校准方面,TMF8801采用的是在产线上一次性光学校准,无需人工参与,只需保证在暗光或是无光环境下,且40cm内无遮挡,即可软件触发校准。这无疑为用户提供了便利,以确保在产品整个生命周期内测量性能不打折。

4、通过人眼安全认证

作为一种基于红外激光工作的器件,安全防护必不可少。TMF8801通过了针对940nm VCSEL的1级人眼安全认证,在遇到突发情况的时候,红外激光源可以自动关闭以确保用户的安全。

综上所述,可以看出TMF8801的定位就是“一颗让用户用着既省心又放心的1D ToF传感器”。这样一来,用户就可以将更多的精力,放在更具创新性的应用场景的挖掘上。

不断扩展的应用场景

说到1D ToF传感器的应用场景,是一个让人兴奋的话题,因为它的想象空间确实很大,尤其是手中有了TMF8801这样高性能、低功耗、小尺寸的器件,开发者试水一些新应用的底气也会更足。

1D ToF传感器一个最典型的应用,就是集成在智能手机前置光学模组上,为3D人脸识别功能提供支持。大家知道,为了实现3D人脸识别,手机前置光学模组上增加了几个能耗大户,比如泛光灯、红外摄像头、3D成像组件(如结构光投影器),这些器件肯定不能总处于工作状态。这就需要低功耗的1D ToF保持常开侦测屏幕前方的目标,当规定距离中出现人脸或疑似物体时,再依次唤醒其他组件,进行3D人脸识别操作。据ams测算,集成1D ToF的3D人脸识别系统,一次解锁流程可节能超70%。

在解锁过程中,1D ToF仍然发挥着重要的作用。因为在人脸3D建模时,人脸与手机屏幕的距离是固定的,而在解锁时人脸与屏幕的距离不可能与建模时的距离完全一致,这时就需要通过1D ToF做精确的距离检测,并将此数据给3D识别系统做距差还原处理,之后再与原始的人脸3D特征信息进行比对,这让整个解锁过程既安全又快捷。

在手机解锁之后,1D ToF并没有闲着,仍然有用武之地。现在用户手机中的各种App越来越多,用户在每个App上花费的有效时间是多少,对于App的开发者以及广告商等利益相关者,都是一个关键数据。这时利用1D ToF(以及其他传感器)感知用户人脸停留在手机屏幕前的准确信息,就可以实现所谓的Attention Aware功能,提供更有价值的数据。

“图6:1D
图6:1D ToF是手机3D人脸识别中
必不可少的组件(图源:ams)

除了上述在手机前置光学模组上的应用,TMF8801的一个特性令其应用扩展到了后置摄像模组中。由于TMF8801与上一代的TMF8701相比,最大感测距离从60cm大幅提升至250cm,因此它可以为手机后置摄像头实现激光探测自动对焦(LDAF)功能,在任何环境光条件下,都能根据目标物体距离准确对焦,且根据对焦距离准确调节摄像头闪光灯的亮度,提高图片的质量。与传统的基于CCD半导体成像器件自动聚焦方案相比,基于TMF8801的LDAF方案对焦速度更快,成本也更低。

“图7:TMF8801可以为手机后置摄像头”
图7:TMF8801可以为手机后置摄像头
实现LDAF功能(图源:ams)

除了手机,TMF8801的优异性能也在助推其向更广阔的应用空间迈进。比如安装在智能电视上的1D ToF,可以在用户——特别是自控力较弱的儿童——过于靠近电视屏幕时,自动调暗或关闭显示器背光,或是发出警告,提醒用户远离电视、保护视力。而在其他需要精准测距的领域,比如扫地机器人、无人机、自动运输避障等应用中,也都有可以让TMF8801一试身手的空间!

“图8:多颗1D
图8:多颗1D ToF传感器在电视上的应用效果图
(图源:ams)

说到这儿了,你的脑洞是不是也逐渐打开了?你有什么有“深度”的设计创意,可以让TMF8801这样的1D ToF传感器帮你测量一下?想让这些设计创意成为现实,先到贸泽电子TMF8801产品专页,获取更多技术信息吧!

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