ToF測距芯片達4m，從手機擴展到更多應用

王瑩

激光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涌現(xiàn)。ST的4m長距離測距傳感器的推出，使室內(nèi)無人機定高、刷臉開門等測距應用成為可能。

ToF測距芯片增長快

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

張程怡稱，F(xiàn)lig HtSense的銷量在世界數(shù)一數(shù)二，特點是發(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，已用于70余款手機，被超過15家手機廠商采用。此外，顯示面板、機器人、衛(wèi)浴龍頭測距等應用在增長，F(xiàn)lig HtSense第三代產(chǎn)品的推出，有望在室內(nèi)無人機等更多領(lǐng)域應用。

FliqhtSense集成了發(fā)/收端

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

其中接收端是基礎(chǔ)。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（注：照相只是顯示）。因為RGB（紅綠藍）的組合可以產(chǎn)生各種顏色的成像，但如果不成像，仍然是有信號的，所以ST FlightSense的基礎(chǔ)在于做接收端，后來又發(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？因為發(fā)/收之后，可以計算二者的時間差（ToF，飛行時間）。那么什么是時間差？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(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采用這種方法測距，缺點是沒有精準的數(shù)據(jù)。

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(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；白光正好倒過來——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，這兩種顏色的目標回來后的差別很大。但如果用時間差方法，影響較小。

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

為了提高精度，出現(xiàn)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4m的原因

那么，為何第三代FlightSense的測距變長？是否是發(fā)射器的激光強度比以前更強了？答案是否定的。實際上激光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(yōu)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(fā)射光為什么不能更大呢7因為有相關(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)重點是在消費類電子上。

由于發(fā)/收端集成在一起，F(xiàn)lightSense的一大優(yōu)勢是體積小。而市面上很多方案，無論是傳統(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(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測距在手機的應用

*攝像頭對焦

傳統(tǒng)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?，F(xiàn)在的方案是通過自發(fā)光得到距離，然后把攝像頭引導到一個合適對焦的地方。

手機廠商于2014年開始了更精細化的探索（注：ST于2014年二季度推出第一代ToF測距產(chǎn)品VL6180）。經(jīng)過多年努力，現(xiàn)在測距更加細致化，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么地方（分辨的原則是取近不取遠、取大不取小等），然后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，然后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采用了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(fā)Turn-key（交鑰匙）方案，估計國內(nèi)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，目前最大的困難在于會被蒙，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(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)并把照片圖像刪除掉。也許一些手機廠商的方案現(xiàn)在已做到最后判斷不是你，但判斷的時間太長了。ST會協(xié)助手機廠商開發(fā)，首先你這個人臉要擺在對的位置，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），然后是分辨。

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(fā)出的是一種結(jié)構(gòu)光，有很特殊的pattern（圖案），這種光發(fā)出去是一種類似于菱形的曲線，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，怎么把這個圖案抓回來，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(shù)。但這不是絕對的做法。結(jié)構(gòu)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(shù)在抓距離，也是可以做的。

測距在非手機類的應用

*手勢開關(guān)（非方向性），開和關(guān)。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，所以可用于簡易開關(guān)。例如水龍頭的手勢開關(guān)。

*室內(nèi)無人機。過去無人機主要用于戶外。這兩年市場發(fā)生了一些變化，玩具類的無人機/小航模一直在往高檔走（例如給會議室里的人員拍照，或者人們出門旅游/騎行，相關(guān)APP放在口袋里，無人機就在你的頭頂上一路跟著跑），反而戶外很專業(yè)的發(fā)燒友用無人機市場慢慢縮小了。因此，現(xiàn)在要么你很專業(yè)，例如能夠到新疆去澆花：要么很好玩，同時又不能貴到只有發(fā)燒友大人才能玩得起。

在室內(nèi)高檔無人機應用上，ST新一代的FlightSense能做到4m測距，正好滿足室內(nèi)無人機的需求。定位精度一般是3% -5%，用于定高和防撞等。

*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(diào)節(jié)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FligttSense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VL53LOX，為30fps，最大200 cm，是2016年以來主推的：新的第三代是VL53LIX，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系列可用于教育面板，因為家長特別在乎孩子眼睛是不是看得太近。專業(yè)的筆記本上也有測距器件，不只是監(jiān)控閱讀的距離，同時也做了開關(guān)，當人離開后就把屏幕關(guān)掉，以實現(xiàn)節(jié)能和保密。還有智能家居面板與服務(wù)機器人，它們在沒人的時候會關(guān)閉，有人過來后會開啟。

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(chuàng)意，其外緣有一圈智能燈。有時候你在家里的化妝鏡前，明明涂的是桃紅色3號口紅，結(jié)果一去宴會會場它卻成了紫色8號的顏色。原因是環(huán)境光的影響。所以Amiro鏡子有幾種模擬光，可模擬太陽光、室內(nèi)光等，以實現(xiàn)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(xiàn)這個顏色。FlightSe nse用于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VL53LOX的測距更遠，達2m?？梢杂糜谛l(wèi)浴，現(xiàn)在還在發(fā)展沖水馬桶，但它對可靠性要求比較嚴苛，因為要求檢測率達100%。還可用于距離更遠的照明開關(guān)，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VL53LIX于201 8年2月推到市場，可用于探測距離達4m的無人機，用于定高。還有室內(nèi)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(nèi)門禁，門禁機開始采用人臉識別，然而常發(fā)生這樣一個尷尬現(xiàn)象，識別需要很長時間，識別完后，門又擋住了人，又需要再回去感應，如何在識別完成后，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(jié)論

ToF測距傳感器的探測距離已達4m，拓展了在消費電子和商業(yè)中的應用。