消費(fèi)電子中的精確距離測(cè)量

Ted Tan

新款iPad Pro在 2020年發(fā)布，在這款新設(shè)備的后攝上加入了一枚LiDAR激光雷達(dá)，蘋(píng)果明確宣稱這是一顆采用dToF技術(shù)的深度感知模塊。這一次，蘋(píng)果把基于飛行時(shí)間ToF（Time of Flight）技術(shù)的3D感知帶入消費(fèi)電子領(lǐng)域，令人耳目一新。

iPad Pro 2020的LiDAR采用的是多點(diǎn)dToF技術(shù)，大約有3萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，可以通過(guò)測(cè)量每一個(gè)點(diǎn)光線從發(fā)出、碰到物體返回的時(shí)間，獲取物體的深度信息，從而為物體建立3D模型。實(shí)際上，基于這一原理的1D ToF技術(shù)早已廣泛應(yīng)用于對(duì)距離有精確測(cè)量需求的領(lǐng)域，比如消費(fèi)電子領(lǐng)域，包括手機(jī)屏幕的自動(dòng)亮屏和滅屏，手機(jī)攝像頭的自動(dòng)對(duì)焦；還比如物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，包括人臉支付終端的距離檢測(cè)，商場(chǎng)中觸發(fā)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)應(yīng)用，自動(dòng)化工廠里用于工人與機(jī)器人近距離協(xié)同工作時(shí)控制安全距離，智慧城市中的智能垃圾桶量滿檢測(cè)等。

目前，1D ToF有兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，其中，通過(guò)發(fā)射、接收光并測(cè)量光子飛行時(shí)間從而確定距離的直接測(cè)距dToF，具有Truedistance、快速響應(yīng)、低功耗以及多物體同步精確檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，更受消費(fèi)電子領(lǐng)域歡迎。

基于直接測(cè)量的方法，原理非常簡(jiǎn)單，發(fā)射一束脈沖光波，通過(guò)光學(xué)快門(mén)快速精確獲取照射到三維物體后反射回來(lái)的光波的時(shí)間差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的時(shí)間差，來(lái)回的距離可以通過(guò)公示d = t/2· c。此種方法原理看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn)，如控制光學(xué)快門(mén)開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘要求非常高的精度，還要能夠產(chǎn)生高精度及高重復(fù)性的超短脈沖，照射單元和ToF傳感器都需要高速信號(hào)控制，這樣才能達(dá)到高的深度測(cè)量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。

ToF的照射單元都是對(duì)光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射，一般采用LED或激光（包含激光二極管和VCSEL）來(lái)發(fā)射高性能脈沖光，脈沖可達(dá)到100MHz左右，主要采用紅外光。

1dToF模組還必須有一個(gè)光學(xué)鏡頭，不過(guò)與普通光學(xué)鏡頭不同的是，這里需要加一個(gè)紅外帶通濾光片來(lái)保證只有與照明光源波長(zhǎng)相同的光才能進(jìn)入。由于光學(xué)成像系統(tǒng)不同距離的場(chǎng)景為各個(gè)不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要后續(xù)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)這個(gè)誤差進(jìn)行校正。

ams的1D ToF系列，包括已成熟量產(chǎn)的TMF8701和新近發(fā)布的升級(jí)版TMF8801，基于ams專有的單光子雪崩二極管（SPAD）像素設(shè)計(jì)和具有極窄脈寬的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （TDC），可實(shí)時(shí)測(cè)量光子的直接飛行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)確定物體的距離，測(cè)量距離可以從1.5cm到2.5m。

ams持續(xù)保持世界最小紀(jì)錄的1D ToF傳感器TMF8701、TMF8801系列，針對(duì)占位檢測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化，是ams 3D傳感整體解決方案的一部分。通過(guò)1D ToF的占位檢測(cè)，可適時(shí)喚醒眼球追蹤、注意力檢測(cè)等功能，進(jìn)而適時(shí)喚醒3D識(shí)別系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更低功耗、更縝密安全的人臉識(shí)別，適用于如移動(dòng)設(shè)備的人臉識(shí)別應(yīng)用、家居系統(tǒng)的手勢(shì)和人員識(shí)別、機(jī)器人導(dǎo)航以及車(chē)用高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）。