ToF——飞行时间测距传感器

传感器技术 2019-03-27


TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写,即传感器发出经调制的近红外光,遇物体后反射,传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差,来换算被拍摄景物的距离,以产生深度信息,此外再结合传统的相机拍摄,就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。


不论是自动驾驶,还是VR;亦或是现在市面上层出不穷的平衡车,都离不开ToF技术。



TOF测量原理


发射的红外光线被被测物体反射后回到传感器,内置的计时器记录其来回时间,然后即可计算出其距离。听起来好像和大家玩烂了的超声波测距没啥不同。但其实不然,超声波测距对反射物体要求比较高,面积小的物体,如线、锥形物体就基本测不到,而TOF红外测距完全可克服此问题,同时TOF测距精度高,测距远,响应快。


这种技术跟3D激光传感器原理基本类似,只不过3D激光传感器是逐点扫描,而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。



ToF的原理是通过光子的反射测距。传统上是红外测距,但红外测距没有计算时间差的能力,主要靠测光强,但打在黑色、白色等颜色物体上,由于材料本身的吸收度不同,也会影响测距效果,因此ST的FlightSense采用计算发射和返回的光子时间差,即计算飞行时间(ToF)方案。另外在集成度上,ST的方案是发射和接收都做在一起,而红外测距往往是分立方案。




第一代

VL6180X

第二代

VL53L0X

第三代

VL53L1X

测距40cm

2m

4m
激光器850nm940nm940nm
视场角25°25°27°
环境光感测
测距精度±10mm±3%±1%


市面上有多家公司采用ToF方法,但主要采用相位测距法,主要用于工业,原理是脉冲计算法,但在波谷的能量就不测量了,会造成能量损失。


为何ST方案的测距角度都是25°?因手机镜头弧度是25°左右,所以市面上的产品往往是25~30°视角。FlightSense二代之所以是2米测距,因手机拍摄的理想距离是1.2~1.5米。



ST的FlightSense有三代产品。第一代产品是VL6180X,15fps,是40 cm+环境光传感器,2014年第二季度推出;第二代是VL53L0X,为30fps,最大200 cm,是2016年以来主推的;新的第三代是VL53L1X,为60fps,最大400 cm,2018年2月问世。


*第一代测距传感器——VL6180系列可用于教育面板,因为家长特别在乎孩子眼睛是不是看得太近。专业的笔记本上也有测距器件,不只是监控阅读的距离,同时也做了开关,当人离开后就把屏幕关掉,以实现节能和保密。还有智能家居面板与服务机器人,它们在没人的时候会关闭,有人过来后会开启。


其中,Amiro智能化妆镜很有创意,其外缘有一圈智能灯。有时候你在家里的化妆镜前,明明涂的是桃红色3号口红,结果一去宴会会场它却成了紫色8号的颜色。原因是环境光的影响。所以Amiro镜子有几种模拟光,可模拟太阳光、室内光等,以实现精准的科学模拟。例如你今天主要是去野餐的,你今天就要用它的3号光,你的桃色3号口红在野外就会呈现这个颜色。FlightSense用于感应到你是否到镜子面前,此方案中的最远感应距离约20 cm。


*第二代测距传感器VL53L0X的测距更远,达2 m。可以用于卫浴,现在还在发展冲水马桶,但它对可靠性要求比较严苛,因为要求检测率达100%。还可用于距离更远的照明开关,例如办公室的灯。广告机的测距距离也要更远,有人就自动开启。


*第三代测距传感器VL53L1X于2018年2月推到市场,可用于探测距离达4 m的无人机,用于定高。还有室内机器人/扫地机器人的避障等。另外一个有前景的应用是室内门禁,门禁机开始采用人脸识别,然而常发生这样一个尴尬现象,识别需要很长时间,识别完后,门又挡住了人,又需要再回去感应,如何在识别完成后,人一动,门就会迅速打开,这就需要对距离有非常敏锐感觉的感应器。再有,投影仪和相机,有了测距能够拍摄得更远更好。



飞行时间(ToF)传感系统是最有盈利空间的创新成像技术之一。市场上的主要消费类产品制造商都希望在各种智能硬件中集成飞行时间(ToF)测距,以提供3D成像、接近感应、环境光感测、手势识别等功能。


意法半导体在飞行时间(ToF)传感方面潜心研究,而iPhone 7 Plus中的飞行时间(ToF)测距传感器是意法半导体为苹果公司定制的产品。


这款为苹果定制的产品位于iPhone手机前面、主扬声器上方,采用光学栅格阵列(LGA)封装形式,尺寸为2.8mm x 2.40mm,小于意法半导体对外公开销售的任一款ToF传感器。


苹果iPhone 7 Plus拆解


ToF传感器包括红外发射器(垂直腔面发射激光器,VCSEL)、红外探测器(单光子雪崩二极管,SPAD)。


意法半导体飞行时间(ToF)测距传感器封装尺寸


意法半导体飞行时间(ToF)测距传感器逆向分析


VCSEL芯片剖面图(样刊模糊化)


意法半导体第二代飞行时间(ToF)测距传感器VL53L0X采用4.4 mm x 2.4 mm x 1 mm回流焊封装,主要有以下优势:(1)不到30 ms即可提供最长2米的绝对距离读值;(2)快速模式:50Hz快速测距操作;(3)高精度(精确度控制在±3%范围内),低功耗(正常工作模式下功耗仅20mW,待机功耗只有5µA);(4)先进的环境光抑制的设计;(5)采用940nm红外光。



文章来源:硬件十万个为什么

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