性能出眾的1D ToF傳感器

這些年，如何讓機器獲得能夠感知距離的3D“視覺”能力，一直是一個熱門的研究方向。不要小瞧這個在2D平面基礎上添加的包含“深度”數據的第三維信息，它將為開發(fā)者提供一個給力的HMI（人機交互界面）工具，讓他們設計的產品更容易打動用戶的芳心。

比如說，玩家進行3D體感游戲時，活動的不再僅僅是手指，而是全身都可以沉浸其中；3D人臉識別提供的有深度信息的人臉模型，讓那種“用照片騙過攝像頭”的做法不再奏效；一個智能設備，可以精準感知到“主人”的到來，而迅速被激活……

讓機器設備獲得這種深（距）度（離）感知能力的技術路徑有很多。你可以使用紅外接近傳感器，不過它們大多作用距離短且測量精度不高。結構光是一種公認的高精度測量方法，不過其后處理算法比較復雜，需要消耗大量的計算資源，且光學系統(tǒng)的調校和維護也有門檻，想讓它放下身段進入更廣闊的消費級應用，并不容易……因此越來越多的人將目光聚焦在ToF（飛行時間）傳感技術身上。

ToF技術的工作原理很好理解，它是通過測量從傳感器發(fā)射出的光子或電磁波，遇到目標物體后反射回來所需的時間，精確計算出兩者之間的距離（如圖1）。與結構光技術相比，ToF方案無需復雜的后處理系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單、體積小、誤差小，具有明顯的成本優(yōu)勢，且抗干擾能力強，可以提供足夠高的測距精度，因此這兩年發(fā)展勢頭頗為強勁。

圖1：ToF技術通過測量光或電磁波往返的

飛行時間來計算被測物體的距離（圖源：ams）

現(xiàn)如今，盡管人們對可以支持數萬個深度測量點、作為3D結構光人臉識別競爭技術的3D ToF投入了更多的關注，但實際上，更為簡潔的、只提供一個深度點精準測距的1D ToF的應用空間更為廣闊。如今的1D ToF產品已經可以在一個芯片級的解決方案中，實現(xiàn)相當出色的性能表現(xiàn)，幫助開發(fā)者大開腦洞，將實時、精準的測距功能植入到各種應用場景中。

性能出眾的1D ToF傳感器

今天，我們就來認識這樣一款1D ToF傳感器，并一起探索可由它開啟的創(chuàng)新應用。這顆料，就是艾邁斯半導體（ams）最新推出的1D ToF傳感器TMF8801。

圖2：ams最新推出的1D ToF傳感器TMF8801外形緊湊

（圖源：ams）

TMF8801在一個2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的緊湊封裝中，集成了一個完整的1D ToF系統(tǒng)，包括：一個VCSEL紅外發(fā)射器、多個SPAD（單光子雪崩光電二極管）光探測器、時間-數字轉換器（TDC），以及一個用于算法處理的片上微控制器。

在工作時，TMF8801的VCSEL紅外發(fā)射器經過光學部件打出光子，同時給TDC發(fā)出一個“開始”的信號，當光子遇到障礙物會反射回來，被TMF8801的接收端SPAD所接收，并導致 SPAD發(fā)生雪崩，從而給TDC一個“停止”的信號，TDC通過計算開始和停止信號之間的時間，即可獲得光子往返的飛行時間，并計算出目標物體距傳感器的遠近。測量結果可直接輸出給系統(tǒng)主控制器做后續(xù)的處理。

如果僅從上述的工作流程來看，TMF8801與其他1D ToF器件相比別無二致，但實際上由于TMF8801在很多細節(jié)上的優(yōu)化，使得其在最終的性能表現(xiàn)上顯得非比尋常。與采用間接ToF系統(tǒng)測量均距的產品相比，采用直接ToF時間測量方法的TMF8801能夠提供準確度更高、更真實的距離測量結果。

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實時精確的dToF測量

1D ToF從技術上講可以分為iToF（非直接測距）和dToF（直接測距）兩種。其中iToF通過測量發(fā)射波形和接收波形間的相位差換算飛行時間從而確定距離，而dToF是通過直接測量光子發(fā)射、接收飛行時間來確定距離。TMF8801采用的是dToF技術，因此與前者相比具有更快速的響應、更低的功耗，可有效消除iToF中存在的多徑干擾的影響，且支持多物體同步精確檢測。同時，由于TMF8801中集成了ams專有的 SPAD和具有極窄脈寬的TDC，也進一步強化了在實時性和測量精度上的優(yōu)勢，使其可以在2cm~2.5m距離內達到5%的測量精度，分辨率小于1mm。

圖3：TMF8801系統(tǒng)框圖

其內置一個完整的1D ToF系統(tǒng)（圖源：ams）

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直方圖輸出實現(xiàn)更強抗擾能力

TMF8801避免多徑干擾的一個“法寶”，就是其具有直接輸出直方圖數據的功能——相關數據處理由一個Arm Cortex M0片上微控制器完成。直方圖是目標物體反射回來的紅外光子數量在不同距離上的統(tǒng)計分布圖，通過直方圖可以直觀地獲知在測量范圍內多個物體的距離信息。

圖4：TMF8801直方圖中顯示出的

多物體的數據信息（圖源：ams）

除了多物體感測，直方圖功能還可有效減少光學路徑中玻璃蓋板、油污等因素的干擾。這是因為玻璃蓋板及附著在它上面的油污，其在直方圖上的距離分布范圍是固定的，因此很容易通過算法優(yōu)化將這些干擾信號“濾除”掉。因此，此類光學路徑中固定的干擾源不會影響TMF8801的工作。

圖5：直方圖輸出中油污距離位置固定

可通過算法優(yōu)化消除干擾（圖源：ams）

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自動校準確保測量精度

測量系統(tǒng)的校準是必不可少的，dToF需要進行的校準工作包括時間校準和光學校準，這些過程TMF8801都是自動實現(xiàn)的。

時間校準方面，為了避免內置時鐘偏差，TMF8801會自動以系統(tǒng)時鐘為標定，實時的校準；而光學校準方面，TMF8801采用的是在產線上一次性光學校準，無需人工參與，只需保證在暗光或是無光環(huán)境下，且40cm內無遮擋，即可軟件觸發(fā)校準。這無疑為用戶提供了便利，以確保在產品整個生命周期內測量性能不打折。

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通過人眼安全認證

作為一種基于紅外激光工作的器件，安全防護必不可少。TMF8801通過了針對940nm VCSEL的1級人眼安全認證，在遇到突發(fā)情況的時候，紅外激光源可以自動關閉以確保用戶的安全。

綜上所述，可以看出TMF8801的定位就是“一顆讓用戶用著既省心又放心的1D ToF傳感器”。這樣一來，用戶就可以將更多的精力，放在更具創(chuàng)新性的應用場景的挖掘上。

不斷擴展的應用場景

說到1D ToF傳感器的應用場景，是一個讓人興奮的話題，因為它的想象空間確實很大，尤其是手中有了TMF8801這樣高性能、低功耗、小尺寸的器件，開發(fā)者試水一些新應用的底氣也會更足。

1D ToF傳感器一個最典型的應用，就是集成在智能手機前置光學模組上，為3D人臉識別功能提供支持。大家知道，為了實現(xiàn)3D人臉識別，手機前置光學模組上增加了幾個能耗大戶，比如泛光燈、紅外攝像頭、3D成像組件（如結構光投影器），這些器件肯定不能總處于工作狀態(tài)。這就需要低功耗的1D ToF保持常開偵測屏幕前方的目標，當規(guī)定距離中出現(xiàn)人臉或疑似物體時，再依次喚醒其他組件，進行3D人臉識別操作。據ams測算，集成1D ToF的3D人臉識別系統(tǒng)，一次解鎖流程可節(jié)能超70%。

在解鎖過程中，1D ToF仍然發(fā)揮著重要的作用。因為在人臉3D建模時，人臉與手機屏幕的距離是固定的，而在解鎖時人臉與屏幕的距離不可能與建模時的距離完全一致，這時就需要通過1D ToF做精確的距離檢測，并將此數據給3D識別系統(tǒng)做距差還原處理，之后再與原始的人臉3D特征信息進行比對，這讓整個解鎖過程既安全又快捷。

在手機解鎖之后，1D ToF并沒有閑著，仍然有用武之地?，F(xiàn)在用戶手機中的各種App越來越多，用戶在每個App上花費的有效時間是多少，對于App的開發(fā)者以及廣告商等利益相關者，都是一個關鍵數據。這時利用1D ToF（以及其他傳感器）感知用戶人臉停留在手機屏幕前的準確信息，就可以實現(xiàn)所謂的Attention Aware功能，提供更有價值的數據。

圖6：1D ToF是手機3D人臉識別中

必不可少的組件（圖源：ams）

除了上述在手機前置光學模組上的應用，TMF8801的一個特性令其應用擴展到了后置攝像模組中。由于TMF8801與上一代的TMF8701相比，最大感測距離從60cm大幅提升至250cm，因此它可以為手機后置攝像頭實現(xiàn)激光探測自動對焦（LDAF）功能，在任何環(huán)境光條件下，都能根據目標物體距離準確對焦，且根據對焦距離準確調節(jié)攝像頭閃光燈的亮度，提高圖片的質量。與傳統(tǒng)的基于CCD半導體成像器件自動聚焦方案相比，基于TMF8801的LDAF方案對焦速度更快，成本也更低。

圖7：TMF8801可以為手機后置攝像頭

實現(xiàn)LDAF功能（圖源：ams）

除了手機，TMF8801的優(yōu)異性能也在助推其向更廣闊的應用空間邁進。比如安裝在智能電視上的1D ToF，可以在用戶——特別是自控力較弱的兒童——過于靠近電視屏幕時，自動調暗或關閉顯示器背光，或是發(fā)出警告，提醒用戶遠離電視、保護視力。而在其他需要精準測距的領域，比如掃地機器人、無人機、自動運輸避障等應用中，也都有可以讓TMF8801一試身手的空間！

圖8：多顆1D ToF傳感器在電視上的應用效果圖

（圖源：ams）

說到這兒了，你的腦洞是不是也逐漸打開了？你有什么有“深度”的設計創(chuàng)意，可以讓TMF8801這樣的1D ToF傳感器幫你測量一下？想讓這些設計創(chuàng)意成為現(xiàn)實，先到貿澤電子TMF8801產品專頁，獲取更多技術信息吧！