第二代FlightSense的ToF激光測距的工程設(shè)計考量

摘要：ToF激光測距的精準(zhǔn)度更高，可用于手機、控制面板和家庭服務(wù)機器人等。近日，ST公司推出了第二代FlightSense，并介紹了其原理及工程設(shè)計理念。

各種測距技術(shù)一覽

　　測距方案很多，有傳統(tǒng)的紅外(IR)測距，精準(zhǔn)的激光測距，還有近距離的電感式，測較遠(yuǎn)距離的超聲波測距，甚至氣壓計也是一種測距方案，可以知道你離地是10公里還是5公里。

　　紅外測距類似ToF原理，但它通常是兩個元器件，發(fā)射和接收分開，也有的做在一起，但做在一起也要在系統(tǒng)上開兩個洞。而FlightSense是封裝在一起的一個芯片。

　　手機上傳統(tǒng)的紅外光傳感器的紅外光源對精度要求不高，而且沒有計算時間差的能力，主要計算反射回來的光強度。其應(yīng)用非常多，最常見的是打電話時，靠近耳朵時屏幕會自動關(guān)閉，不然手機靠在耳朵上時，不小心碰到了滴滴叫車，打一通電話也叫了三輛車。

　　測量光強度往往判斷不精準(zhǔn)，因為不同顏色物體對光的反射率/吸收率不同。

　　還有電感式的產(chǎn)品，但因為電感式的距離比較近。紅外的距離通常也不遠(yuǎn)，做到10厘米內(nèi)勉強可行，10厘米外不是它有沒有精準(zhǔn)度，就是掃描不到了。

　　再就是很長距離的應(yīng)用，比如汽車導(dǎo)航用的超聲波。其測距較長，20、50、80米等，但塊頭也較大，一般不容易裝進消費類電子中。它的優(yōu)點是能夠測得很遠(yuǎn)，缺點是近距離時精準(zhǔn)度有問題。假設(shè)你有50米的能力，你的誤差1米問題不大，你倒車的時候，昨天和前天的警示音差了10厘米，你并不在乎，因為倒車時可能在1米或80厘米就開始警示你了，今天是75厘米警示你，后天是81厘米警示你，無所謂，所以應(yīng)用的場景和精準(zhǔn)度需求也不一樣。

　　ToF(Time of Flight，飛行時間)測距也有兩種，分別是基于相位的方法[1]和FlightSense直接計算光子返回時間差的方法。相位測距所謂的脈沖式，像一個鋸齒狀，相位式就是測波，怎樣有正波和負(fù)波，但是它的激光必須累積到一定能量，一疊兩疊三疊它疊了很多，但是必須回到一個關(guān)鍵的問題——安規(guī)。相位波的波峰超過特定的強度可能會不符合安規(guī)，因為你的波峰如果符合安規(guī)，其他的波就太弱了，所以相位法在消費性電子上的應(yīng)用是受限的，因為如果波峰才能用，非波峰的地方全部浪費了，等于一秒的讀值能利用的較少。這時一秒30發(fā)不夠用，要拉到50發(fā)。而ST公司的FlightSense沒有這個問題，F(xiàn)lightSense最關(guān)鍵的技術(shù)是如何在更遠(yuǎn)的地方拿到更多的光子。

　　因此，相位測距可能在工業(yè)應(yīng)用上比較多，因為工業(yè)應(yīng)用沒有波峰的瓶頸。

ST第二代FlightSense問世

　　ST(意法半導(dǎo)體)在2015年曾發(fā)布過FlightSense，用于VL6180X激光測距傳感器上，在手機和智能面板測距市場取得成功。“FlightSense是全球市場排名第一的ToF解決方案。”ST影像產(chǎn)品部技術(shù)市場經(jīng)理張程怡稱。今年6月30日，ST又推出第二代FlightSense 技術(shù)，并用于新的VL53L0X激光測距傳感器上。

　　VL53L0X將ToF測距長度擴至兩米，精確度在±3%范圍內(nèi)。測量速度較上一代產(chǎn)品更快，測距時間不足30ms;更高能效，正常工作模式下功耗僅20mW，待機功耗只有5μA。封裝尺寸為2.4mm x 4.4mm x 1mm，在市面上同類產(chǎn)品中很小。

　　近日，ST公司張程怡經(jīng)理又詳細(xì)介紹了FlightSense的測距原理及第二代產(chǎn)品推出的工程設(shè)計考量。

FlightSense激光測距原理

　　圖1是FlightSense器件基本構(gòu)造。左邊是FlightSense器件，該器件非常小，手都捏不起來。一個口是發(fā)射，另一個是接收。實際上，所有測距或者感應(yīng)的產(chǎn)品基本是這個原理。其特點是應(yīng)用領(lǐng)域廣，因為到處都有光反射。

　　該產(chǎn)品之所以叫做測距，因為它利用了光子旅行的時間，乘上光速除以2得到距離。它利用的是光射到物體以后會反射回來。因為算的是時間差，所以它能夠克服大部分環(huán)境光的干擾。如果是黑色、白色物體，即便回來的光的數(shù)量(光強)是不同的，但它的返回時間是一樣的。有這樣一個比喻，假設(shè)現(xiàn)在回到舊社會，現(xiàn)在派出100個兵去偵查，結(jié)果90個給擊斃了，只回來10個，和我派出100個兵去偵查，10個被擊斃，回來90個。如果我用這來作為依據(jù)的話，他們?nèi)サ降牡胤绞且粯拥?，只是回來的人?shù)不同。如果我是用回來的數(shù)量(強度)計算的話，回來90個人表示地方很近，回來10個表示地方很遠(yuǎn)，這就會產(chǎn)生誤差。所以，F(xiàn)lightSense測距之所以能夠突破性地發(fā)展，就是因為可以用光的時間差來測距。

　　圖2的左圖是ST的第一代產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品有一部分手機的應(yīng)用，有一部分作為智能面板的開關(guān)的應(yīng)用。中間是2016年6月30日發(fā)布的第二代器件，優(yōu)勢是最遠(yuǎn)能夠做到2米的測距。預(yù)計一年后的2016年推出第三代測距，測距能力在現(xiàn)有能力上再翻一番——達到4米。

　　FlightSense可應(yīng)用于手機、平板上，還可以用于衛(wèi)浴、機器人、面板等。圖2中，注明第一代FlightSense帶有環(huán)境光感測的功能，第二代沒有了。其原因是環(huán)境光感測是能夠知道環(huán)境的明暗，它一般對有顯示屏的面板才有意義，因為顯示屏距離40厘米以內(nèi)，比如手機顯示屏、家居面板顯示屏等，人靠近它，它會亮起來。第二代產(chǎn)品的應(yīng)用場景相對遠(yuǎn)，就沒有定義這類應(yīng)用。

　　FlightSense第二代產(chǎn)品——VL53L0X有幾個特點。如圖1有發(fā)射和接收部分，發(fā)射是一個激光源，接收就是所謂的SPAD紅外接收器。另外感應(yīng)器，傳統(tǒng)上的攝像頭有800萬像素、1300萬像素，更牛的還有2000萬像素，但強項基本是可見光，也就是它需要做成像，你拍張照可以看到紅橙黃綠藍(lán)靛紫，但在FlightSense，不在乎光的顏色，而在乎光子的數(shù)量，其制程也是非常獨到。因為SPAD是半導(dǎo)體的制程，也是ST自己擁有和生產(chǎn)的。

　　第二點就是發(fā)射端，VCSEL。VCSEL兩代用的光是不同的，第一代用的是850納米光，第二代是940納米光。

　　第三點是符合一級安規(guī)。一級安規(guī)表示適合消費性電子，人眼能夠直視，不傷眼。

　　第四點是全功能的集成。

　　圖3列出了第一代和第二代的比較。可見第二代最小測距達到了2米，這個2米直覺上還是要有一個特殊的場景的設(shè)置，就是背景光比較暗，目標(biāo)又比較白，經(jīng)過一些特殊的軟件配置做到的。在一般的應(yīng)用環(huán)境，1.5米是可以做到的。如果1.2米左右的表現(xiàn)，基本拿出來就能達到了，所以距離和使用者的應(yīng)用場景有關(guān)。

　　另外，二代的激光器頻譜不同。圖3右圖代表太陽光的頻譜。人眼只能看到一部分頻譜，即可見光。在人眼看不到的光中，其中第一代用的是850納米，在光中為什么要找到850納米呢?因為人眼看不到，因此干擾較少。為什么第二代要到940納米呢?如圖3，940納米是自然界中，尤其是室內(nèi)環(huán)境含量最低的一個波谷。因此，由于激光器所發(fā)射的940納米的波段在環(huán)境中數(shù)量很少，因而發(fā)出的光受到的干擾很小，因此，第二代比第一代的有效距離長了很多。這是FlightSense所獨有的技術(shù)。另外，算法上的優(yōu)化也是測距更長的一個原因。

　　那么，第二代的測距時間也減短了，也和940納米有關(guān)系嗎?答案是肯定的。測距快，最主要的原因是激光源的改善。因為940納米收回來的信息相對純凈一點，因此，處理速度就加快了。另一個原因是算法的優(yōu)化。

　　圖4是FlightSense的探測錐形圖。系統(tǒng)視野FoV(Field of View)是25°。FlightSense發(fā)出光的角度是圓柱角，特別像麥當(dāng)勞的圓筒冰激淋。

　　剛才提到了冰激淋筒的圓錐角，一般是FOV 25°，從一個立體的角度看，就是上下左右各單邊12.5°。第一代測距是40厘米，所以有一個直徑約17厘米的有效的工作區(qū)塊。第二代測距達到2米，這個區(qū)塊直徑達到90厘米，是很大的。

　　問題是：FoV 25°是怎么來的?實際上，市場上常見的是25度、35度的規(guī)格，每家供應(yīng)商的側(cè)重做法應(yīng)該各有優(yōu)劣。這好像輪胎的規(guī)格，你也不能說不能創(chuàng)造不同的規(guī)格，但車子就只有幾種不同的規(guī)格。

　　ST是為了在精度更有效的涵蓋范圍內(nèi)做取舍。因為角度越大會越散，會擔(dān)心精度有折扣。但是角度太小了，涵蓋的范圍又太小。另一個考量是基于照相的需求，1.2米經(jīng)常是手機攝像能力的正常點，因為照相的屏幕是方形，測距的圓怎樣達到滿圓?大概在25°角左右。所以有這么一個潛規(guī)則，但這也不是唯一的規(guī)范。

　　ST以后還會繼續(xù)在這個25°嗎?未來可能會有一些變化。在兩代產(chǎn)品的經(jīng)驗上，在取舍角度方面會有一些創(chuàng)新。但方向不會變得很大，只是在這個范圍內(nèi)做優(yōu)化調(diào)整。

　　測距的速度是毫秒級的，每秒可讀出約30個讀值。其速度遠(yuǎn)大于人眼接受或者其他主芯片能夠跑的速度，所以這個速度可以應(yīng)付各種日常的應(yīng)用，諸如吸收槽、面板、測距的應(yīng)用等，這些場景一般一秒3個或5個讀值已經(jīng)是很強的了，生活上用不了這么大的讀值。之所以這么快，因為做了很多手機上的相關(guān)應(yīng)用。

　　為了方便客戶和開發(fā)商開發(fā)，ST也開發(fā)了兩套應(yīng)用的樣片演示板。因為FlightSense器件非常小，拿去焊接非常困難。另外的原因是光學(xué)器件兩個開口是不允許有污染的，容不下灰塵，所以，ST開發(fā)出小板，讓客戶很容易手焊。在方案中還有一個小MCU，封裝在器件里。

　　FlightSense的應(yīng)用有四個方面。第一，通信和計算機上面的應(yīng)用，例如手機。第二，家用，諸如機器人、衛(wèi)浴、面板、娛樂甚至玩具類應(yīng)用。第三，新應(yīng)用，玩具、首飾控制、虛擬顯示頭顯中的手勢控制等。第四，消費類的電子交通、安全、商務(wù)等。

FlightSense設(shè)計的熱門問題

　　*因為有許多被測物體會吸收這些光子，ST的接收器件是不是應(yīng)該加一些元器件來倍增一下?

　　目前沒有這種做法，但往后會有類似的做法，ST第三、四代器件會做，就是怎樣對付低反射率的物體。的確，對付顏色是一個關(guān)鍵指標(biāo)，例如白色反射率高，黑色是吸收色。

　　第三代FlightSense如何從2米提升到4米，表示今天我對這個特定的物體只拿到100顆光子，我如何把100顆增加為200顆，或者如何在4米之外也能拿到100顆，所以其中一個做法，除了結(jié)構(gòu)之外還有光學(xué)的做法，就是會加入光學(xué)的元素，加鏡片，所以，鏡片就能夠通過凹凸透鏡把更多的光給拉進來。

　　*所以今后主要是加鏡片?

　　對，主要是通過光學(xué)的方法，因為FlightSense內(nèi)部的結(jié)構(gòu)做得不錯，但難點在于怎樣讓更多的資訊進來。

　　*ToF傳感器模塊領(lǐng)域的投入是不是近幾年才開始加大的?

　　ST投入的時間大概是這三五年。在2015年前花了很長時間在定方案和規(guī)格。

　　發(fā)展技術(shù)的基礎(chǔ)有兩個：一是ST過去是做光學(xué)影像的傳感器，所以才能夠做光學(xué)的處置的工作。二是過去在歐洲的太空科學(xué)當(dāng)中，就有一個抓人造衛(wèi)星的技術(shù)，除了數(shù)學(xué)運算以外，如何知道衛(wèi)星的位置在哪兒，是不是跟數(shù)學(xué)計算是一致的，就要用物理的判斷方法，這是一個重要的方式。激光架在山頂上，趴著三更半夜在打激光就是為了確定距離。

　　*這個產(chǎn)品屬于數(shù)?；旌闲酒?

　　這是一個光學(xué)芯片，就像做相機攝像頭2000萬像素或800萬像素的傳感器的制程。因此，基本上就是一個光學(xué)傳感器，只是它制作的元素和訴求不在于照相，它的像素也不是2000萬。因為它的原理根本不需要這個，它要的是能夠?qū)庾拥母袘?yīng)，但從純制程角度來說幾乎是一樣的。

　　*除了手機領(lǐng)域之外，您認(rèn)為未來在哪些領(lǐng)域它的增速會比較快?

　　比較側(cè)重教育類的產(chǎn)品。覺得馬桶的應(yīng)用估計國內(nèi)是一個風(fēng)潮。服務(wù)型的機器人也不錯，因為怕機器人撞人、撞到玻璃、撞到桌角等，所以要求它的可靠度越來越高。

　　*筆記本電腦有攝像頭，它可以用攝像去做，只需要判斷有或者沒有，它完全從軟件上做就可以了，沒有必要去集成FlightSense?

　　攝像頭也是一種做法，但ST尋求不同的切入點，例如在功耗上，攝像頭的耗電稍大一些。因為低功耗是硬件的優(yōu)勢，軟件的優(yōu)勢就是我會自己跑，但缺點是中斷才告訴你，所以系統(tǒng)會休眠掉，所以人離開的這三個小時里，攝像頭到底要隔多久拍一次照，這也不好控制。硬要做是可以做的，機會也還是不錯的。

　　*FlightSense的核心競爭力是什么?

　　ST在安規(guī)、精準(zhǔn)度、尺寸和功耗上有顯著的優(yōu)勢。

參考文文獻：

　　[1]王瑩.基于相位的ToF測距方法避免了背景光影響.電子產(chǎn)品世界，2016(4):78

　　[2]劉超,田俊杰.基于SOPC的高精度超聲波雷達測距系統(tǒng)設(shè)計.電子產(chǎn)品世界,2015(11):51-53

　　[3]卓晴,魯暢,金浩哲.高速微型光電檢測電路設(shè)計.電子產(chǎn)品世界,2016(6):48-49

　　[4]賈南.順序式波長色散X射線熒光光譜儀的運動系統(tǒng)控制.電子產(chǎn)品世界,2016(5):59-61

　　[5]Black B.用于寬范圍光電二極管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求.電子產(chǎn)品世界,2015(4):68-69

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第21頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。