善解人意的“机器眼睛”:飞行时间(TOF)传感器[5P]

看一眼手机就自动解锁了,做个手势机器就明白了,东西掉车上就自动提醒了……日常生活中这些善解人意的机器或功能正在越来越多,其背后的科技推手则是飞行时间(time of flight, TOF)传感器。

TOF是能够识别场景及物体并创建3D视图的一项智能感测技术。TOF传感器通过测量光束到达物体和返回所用的时间来确定物体距离,所生成和捕获的数据非常准确,可提供行人检测,基于面部特征的用户身份验证,以及使用SLAM(同时定位和映射)算法的环境映射等。

技术原理

ToF传感器使用微型激光器发射红外光,根据光束的发射和反射时间差或相位差计算距离,再将形成的深度信息与传统相机拍摄结合,呈现出以不同颜色表征距离的三维轮廓地形图。
ToF测距成像原理
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ToF测定距离和深度的方法有两种:直接飞行时间(dToF)、间接飞行时间(iToF)。dToF方法可确定单个像素的距离。接收到的信号会经过最终处理以触发相应的操作,例如进行车辆规避操作,以避免与行人或障碍物相撞。这种方法称为直接飞行时间(dToF),因为它与光束的确切“飞行时间”相关。自动驾驶车辆的LiDAR系统就是典型的dToF应用示例。间接飞行时间(iToF)方法类似,但有一个显著的区别。来自光源(通常为红外VCSEL)的照明被匀光片扩大,并发射脉冲(50%占空比)到定义的视场。在下游系统中,如果光没有遇到障碍物,存储的“标准信号”将在一段时间内触发探测器。如果物体中断该标准信号,系统可根据所产生的相移和脉冲序列的时延,确定探测器每个定义像素的深度信息。
两种主流TOF技术比较
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飞行时间传感器具有精确快速、长距离和成本效益稿等特点,这是由激光的天然属性决定的。因此,ToF传感器具有灵活性,能够检测各种形状和大小的近距离和远距离物体,并且不受湿度、气压和温度的影响,适合于室内和室外使用。

应用优势

TOF传感器堪称机器人的“眼睛”,在汽车自动驾驶、工业LiDAR系统和消费电子领域发展势头良好。在汽车领域,AR抬头显示(HUD)功能可以提供舒适且安全的驾驶体验。驾驶员可以通过基于AR的HUD查看投影在显示屏上的虚拟信息。高级驾驶辅助系统(ADAS)可以利用基于AR的HUD显示视觉警报。汽车产业对AR HUD及投影的需求不断增长,推动了ToF传感器市场的增长。在炙手可热的元宇宙中,VR系统也正越来越多地用于娱乐、教育、医疗和工业领域。VR可以帮助用户在虚拟空间中模拟复杂的任务。通过在VR设备中利用ToF传感器测量到物体的距离,用户可以通过复杂而准确的位置/运动检测,更轻松地在虚拟空间中获得逼真的体验。在3D制图、室内导航、手势识别、对象扫描等场景,TOF传感器也在大显身手。当然,ToF传感器也有一些局限性,这主要便现在:(1)散射光,如果非常明亮的表面离ToF传感器很近,它们可能会将太多的光散射到您的接收器中,并产生伪影和不必要的反射,因为ToF传感器只需要反射一次的光即可进行测量。(2)多重反射。在角落和凹形上使用ToF传感器时,它们可能会导致不必要的反射,因为光可能会多次反射,从而使测量失真。(3)环境光。在明亮的阳光下户外使用ToF相机可能会导致户外使用困难。这是由于阳光的高强度会导致传感器像素快速饱和,从而无法检测到从物体反射的实际光。

领导厂商

目前,ToF传感器市场的领导厂商主要有:德州仪器(Texas Instruments)、意法半导体(STMicroelectronics)、英飞凌(Infineon Technologies)、pmd Technologies、松下(Panasonic)、Teledyne Technologies、基恩士(Keyence)、夏普(Sharp)、索尼(Sony)、迈来芯(Melexis)、瑷镨瑞思(ESPROS)、艾迈斯半导体(ams)等。

意法半导体(ST)早在几年前就推出其第一代产品VL6180和VL53L0X,采用850nm的波长激光,最大测距大于40cm。最新产品多合一VL53L5多区直接ToF传感器模块嵌入式MCU和加速器,最大测距距离可达4米,测距区域多达64个。德州仪器(TI)于2013年就发布过ToF技术,2017年发布了3D TOF图像传感器OPT8241芯片,主要应用为3D扫描、手势控制等等,其终端应用在ATM、人数统计等等。迈来芯(Melexis)是全球五大顶级汽车半导体传感器供应商之一,在汽车市场有着绝对的优势,可以说现在平均每辆车就有8颗迈来芯品牌的芯片。在汽车应用中,传感器数量越来越多,尤其是未来的自动驾驶,只有配备大量的高精准度的传感器才能让行驶更安全。在2017年,迈来芯推出了MLX75023 1/3英寸光学格式TOF传感器,芯产品MLX75026、MLX75027提供VGA分辨率及处理功能。ams半导体专注于高性能传感器解决方案,务范围包括传感器解决方案、传感器IC、接口和相关软件。ams在2017年收购Princeton Optronics,加强3D成像、AR/VR及汽车应用技术。最新产品为TMF8701、TMF8801集成了VCSEL红外发射器、多个SPAD光探测器、TDC转换器和直方图处理内核,即使传感器孔径脏污也能保持可靠性能。
AmsTMF8801单区dToF芯片功能框图
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索尼(SONY)是传统CIS图像传感器制造商,原本在ToF市场并无涉足,但2015年收购SoftKinetic后推出DepthSense ToF感知技术。自此,SONY很快在智能手机市场成为最大的ToF传感器与解决方案供应商:华为、三星近两年的旗舰机都在用索尼的DepthSense方案。由于汽车、智能终端中的3D感知高歌猛进,叠加“元宇宙”推波助澜,ToF市场近两年十分活跃,目前还有企业正准备入市。这些后来者大部分是中国厂商,新面孔带来些新玩法很值得期待。

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