最近服務(wù)機(jī)器人中火熱的無邊框擦玻璃機(jī)器人，應(yīng)用其中的“傳感器”量測(cè)機(jī)器人與窗戶之間的距離，可偵測(cè)無邊框窗戶邊緣，讓機(jī)器人自由地在無邊框窗戶上工作而不會(huì)從玻璃上滑落下來，解決了機(jī)器人不能擦無邊框玻璃的難題。而這正是“飛行時(shí)間測(cè)距傳感器（ToF）”帶來的“功勞”。隨著ToF的性能不斷革新，不僅在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用更加深入，亦打開了新興服務(wù)機(jī)器人、VR應(yīng)用領(lǐng)域大門。
接近傳感器門類眾多，包括紅外、超聲波等，主要通過測(cè)量反射光的光量來估算距離，主要不足在于被測(cè)物體的顏色和表面對(duì)測(cè)量精度影響很大。意法半導(dǎo)體（STM）另辟蹊徑，采用FlightSense技術(shù)，通過計(jì)算發(fā)射和返回的激光光子時(shí)間差，即計(jì)算飛行時(shí)間（FoT）方案進(jìn)行測(cè)距，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量距離更遠(yuǎn)、幀速率更高、功耗更低。
意法半導(dǎo)體影像產(chǎn)品部技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張程怡對(duì)記者介紹說，一方面，由于ToF是通過測(cè)量激光光子的途經(jīng)時(shí)間來計(jì)算被測(cè)物體與發(fā)射器之間的距離，其優(yōu)點(diǎn)是不受目標(biāo)大小、顏色和反射率的影響，因而在距離和精度方面均比傳統(tǒng)接近傳感器領(lǐng)先。另一方面，通過架構(gòu)的革新和算法的優(yōu)化，ST近日推出的第二代ToF VL53L0X在測(cè)距、精度和尺寸方面實(shí)現(xiàn)了新的“質(zhì)變”。
“ST第一代產(chǎn)品“VL6180X”是將激光、測(cè)距、環(huán)境光傳感器三合一，激光器發(fā)射的不可見光波長(zhǎng)為850nm，測(cè)距范圍為40cm，測(cè)距精度為10%?！睆埑题敿?xì)介紹說，“第二代產(chǎn)品VL53L0X內(nèi)置940nm激光發(fā)射器、SPAD紅外接收器和先進(jìn)的MCU，ST將不可見光波長(zhǎng)由850nm定制為940nm，配合先進(jìn)的紅外濾波器，大大增強(qiáng)了對(duì)外部光源的抗干擾性能，精確度在±3%范圍。再加上自主研發(fā)的感應(yīng)光芯片算法的優(yōu)化，ToF測(cè)距長(zhǎng)度擴(kuò)至最長(zhǎng)兩米，而且測(cè)速更快，時(shí)間不足30ms。VL53L0X能效也更高，正常工作模式下功耗僅20mW，待機(jī)功耗只有5μA。而其2.4mm x 4.4mm x 1mm的封裝尺寸和回流焊兼容性，非常易于集成在主PCB或軟板上?！?/p>
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應(yīng)用大有可為
有如此多的“光環(huán)”，自然ToF的應(yīng)用也大幅拓展。
先前ToF就因被智能手機(jī)廠商攝像頭激光輔助自動(dòng)對(duì)焦所采用而享譽(yù)業(yè)界。張程怡表示，一是過去技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的低照度和低對(duì)比度情況下，使用ToF能輔助攝像頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更快更準(zhǔn)的自動(dòng)對(duì)焦，即便在視頻模式和連拍模式下都可快速準(zhǔn)確自動(dòng)對(duì)焦；二是傳感器內(nèi)部完成測(cè)距計(jì)算，通過I2C總線接口輸出數(shù)據(jù)，因而對(duì)手機(jī)主控制器的需求降至最低。因而，ST的第一代產(chǎn)品已被全球知名手機(jī)廠商的幾十種機(jī)型中，而第二代產(chǎn)品也被華為的P9、V8，聯(lián)想的moto g4+，HTC的M10等旗艦機(jī)型手機(jī)采用，未來會(huì)有更多的手機(jī)廠商使用。
而ToF的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止于此。張程怡介紹，ToF的感測(cè)能力可支持各種功能，包括各種創(chuàng)新用戶界面的手勢(shì)感測(cè)或接近檢測(cè)，因而在計(jì)算機(jī)、家用電器、消費(fèi)電子和工業(yè)自動(dòng)化以及服務(wù)機(jī)器人及VR/AI領(lǐng)域，都有顯見的應(yīng)用潛力。他舉例說，如家電感應(yīng)面板、筆記本電腦的用戶探測(cè)或電源開關(guān)監(jiān)控器；衛(wèi)浴產(chǎn)品自動(dòng)感應(yīng)動(dòng)作表現(xiàn)的提升，如水龍頭、皂液器、干手機(jī)；手勢(shì)識(shí)別；服務(wù)機(jī)器人的障礙物探測(cè)與防撞系統(tǒng)以及無人機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用等。
對(duì)于服務(wù)型機(jī)器人的市場(chǎng)前景，張程怡表示，“實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人的巡航控制、避障發(fā)揮功能，ToF將發(fā)揮重要作用。這一市場(chǎng)的需求巨大，如一般的服務(wù)機(jī)器人需安裝3-10個(gè)，掃地機(jī)器人1個(gè)即可。最近與ST接洽的機(jī)器人公司都已或計(jì)劃推出具有這一實(shí)用功能的機(jī)器人?！?/p>
此外，針對(duì)VR/AR應(yīng)用對(duì)動(dòng)作捕捉和識(shí)別的需求提升，ToF或?qū)⒋笳股硎帧埑题J(rèn)為，一則ToF在VR頭顯中可增強(qiáng)手勢(shì)控制功能，二是可為雙攝像頭系統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)盲區(qū)檢測(cè)功能，為用戶提供更好的體驗(yàn)。目前ST在VR頭顯中已有合作案例，但在雙攝像頭應(yīng)用中還要看VR應(yīng)用發(fā)展，尚待挖掘。
未來將進(jìn)行架構(gòu)革新
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除提供VL53L0X外，為使集成過程更加快捷方便，ST還提供軟件API以及完整的技術(shù)文檔和例程源代碼，開發(fā)人員可以使用擴(kuò)展板，與廣泛的MCU兼容，即可輕松開發(fā)完整的解決方案。
第二代VL53L0X在集成度、精度、測(cè)距方面都遠(yuǎn)超“對(duì)手”，但ST并沒有“高枕無憂”，亦在著眼于未來的需求做更多的創(chuàng)新。
對(duì)于未來技術(shù)的發(fā)展，張程怡表示會(huì)一方面專注“深度研究”，同時(shí)和不同領(lǐng)域更加密切的合作，提升更加智能化的體驗(yàn)等，這是未來的一個(gè)重點(diǎn)方向。另一方面將在傳感器精度、有效距離、手勢(shì)識(shí)別方面深耕，不斷優(yōu)化。
“對(duì)于開發(fā)的難度在于如何進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的探測(cè)，并讓被測(cè)物體反射更多的光子給接收器，實(shí)現(xiàn)更高的精度。因此，此模塊將在結(jié)構(gòu)上的革新，增加光學(xué)鏡頭等革新來實(shí)現(xiàn)?！?張程怡最后指出，“明年ST將推出測(cè)距達(dá)4米的第二代ToF傳感器。”