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测距精准不用愁 飞行时间感测器持续进化
速度快 功耗低
[作者 王岫晨]   2021年01月11日 星期一 浏览人次: [2408]

ST是最早研发飞行时间感测器的厂商。截止今天,产品已经发展到第4代,与ST合作的OEM厂商已有50多家。此外,ST还拥有42,000多款开发套件在客户和市面上流通。最重要的是,去年底,ST的ToF出货量已超过10亿颗。随着推出更具竞争力的产品和服务,加上更多的细分市场,出货量将继续提升。


ToF原理与架构

意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术行销经理张程怡指出,ST的ToF解决方案FlightSense飞行时间感测器是透过雷射发射模组发射光子测量距离。光子击中目标後被反射到另一个开囗,即感测器或接收器端。因此,这是非常有效率的测距解决方案,原理通俗易懂,光速乘以光子飞行时间就是测量得到的距离,这也是非常重要的基本的测距设计准则。



图一 : 飞行距离感测器主要功能
图一 : 飞行距离感测器主要功能

测距结果非常准确,不受被测物体的颜色、大小或反射率而影响,当受测物体为黑色、白色或其他颜色时,测距准确率相同。这种感测器测距速度快,功耗低,采用的是非常特殊的940nm光源。


这个产品是一个小巧的黑色封装模组。除了接收器和发射器之外,在模组内部还有处理器,这些元件全都安装在一个特定的模组内。并且,VCSEL完全符合1类雷射产品安全标准。多数客户都非常关心能否提供Class 1认证。


相较於市场上其他的ToF产品, ST的ToF感测器是更安全的解决方案,并可以依照客户需求来提供Class 1认证。 这个认证对於使用VCSEL雷射器的产品非常重要,因为ToF的目标应用就在你我以及亲朋好友的身边,所以,安全是绝对重要的另一个要素。


ST的ToF产品,对於高性能测距要求,推出了不同的产品型号,以及不同的测量距离和视角。针对ToF技术,ST最新的产品为VL53L5,预期将在未来几个月投放市场。林国志认为,发展ToF技术,最重要的是为客户提供准确而可靠的测距解决方案。


此外,ST还为客户提供方便的整合工具,包括STM32环境和推荐的玻璃盖板。ST的解决方案除了功耗很低,并继续研发新的解决方案,提供更长的测量距离、更多的测量区域、更高的测量线性度(相对於盖板)。因此,无论是指纹还是污垢,都比以往的处理得得宜。


DToF vs. iToF

在ToF的市场上,有包含了dToF和iToF等两种技术。dToF和iToF市场应用不一样,对大众市场来讲,dToF这种产品使用起来比较简单便利,因为它的尺寸比较小,对於产品供应商来说,能够提供的型号也比较多。


就客户来说,客户可能会有各种不同的应用,不同的应用使用dToF对他们来说有比较多的选项。相对於iToF来说是解析度比较高的一个应用,所以它本身的系统架构也比较复杂,跟dToF比较起来可以说是完全不一样。而无论是dToF还是iToF,对於ToF技术供应商ST来说,都有相关的产品上市计画,iToF目前规划将等这一两年市场上的应用已经完备了再行推出。


针对这个议题,意法半导体大中华及南亚区影像事业部技术行销经理林国志也表示,其实每个客户的要求都是不一样的,所以针对不同需求,ST会提供多个型号供客户选择。可能会包含:不同距离的侦测、不同角度的侦测、单点跟多点不同的需求。



图二 : 测量距离延长可扩大目标侦测区域
图二 : 测量距离延长可扩大目标侦测区域

此外,针对不同的产品,ST也可以在硬体或光学上提供不同的设计,所以,有这些弹性以後,客户就可以依照提供的选项选择最好的产品,例如依据硬体来配合不同软体与光学元件。目前ST提供的解决方案,都可以满足客户不同的需求。


从产品面来看,VL53L5CX对ST是一个全新的产品,过去前几代产品都是单区产品,VL53L5则是一个新演进的多区产品,而且可以支援到64区,目前没有看到市场上有相关产品出现。因为它有多区,所以它的应用面会比较广,单区是着重在单动作的开关,但多区就相对应地有更多的应用,比如说手势操控或者是一些AR/VR应用等,都可以考虑进去。


ToF的全新系统设计

VL53L5CX产品本身是全新的产品,不论是在接收端感测器本身的设计,或者是在光源发射端的VCSEL设计,它完全是不一样的设计,因为在接收端目前扩充角度从27到61度,扩充角度就是为了接收到更宽的影像输入,所以在感测器自身就需要带有更多的二极体。


在光源发射的部分,相对於接收的61度,光源本身也必须能够发射到61度甚至更大一些,所以在光源部分目前采用多点VCSEL设计,同时接收感测器和发射的设计都是新的。


至於功耗方面,若要对比VL53L5CX和VL53L1CX功耗的表现,就必须叁考客户的使用方式,两者的用法不尽相同。因为VL53L5CX是多区的感测器,一般客户会拿来做比较复杂的应用,比如可能拿来做手势操控,这可能需要感测器一直维持开启状态,也就是VCSEL维持发射状态,如果是这种连续的使用模式,当然相对应的功耗会增高。但如果是进行单侦测模式,感测器就不需要持续开启,本身的功耗就可以降低。


VL53L1CX本身就是低功耗感测器设计,它也可以拿来进行单侦测或连续侦测使用,以单侦测模式来看,其功耗非常低,可以使用在一些带有电池供电的装置上。当然这些功耗最後还是会回归到客户的应用,亦即客户的应用将决定整个系统的功耗是高还是低。


与CIS结合

林国志说,ToF在与CIS产品(CMOS影像感测器)的结合,目前已经在发生,这可以从三个方向来说。一是手机的应用,dToF在手机应用上主要是在快速对焦,这是需要结合目前市场上主要使用的CIS,它的解析度可能非常高,例如2000万像素,或者是达到4800万像素。相对於高解析度的CIS,它本身在一个阴暗环境或复杂场景的环境下,没有办法看得清楚、没办法让对焦做得很好。所以,如果ToF和高解析度的CIS结合在一起就是一个更为完美的组合,这是目前市场上所有主流手机上看到的组合,也是ToF在手机上面的主要应用。


第二个部分是电脑PC的部分,PC部分的ToF和CIS结合的用法就会不太一样,它在PC上主要用来做触发,使用者到了萤幕前的时候,就启动CIS去做登入的动作,进而可以做到省电或者是保护萤幕的功能。


第三部分还有更多其他的应用,例如在智慧门锁和智慧闸门方面也需要用到CIS和ToF的应用,CIS也有两种,有一种叫做卷帘快门,有一种叫做全局快门,像手机用到的就是卷帘快门,一般门锁用的都是相当於全局快门的感测器。针对不同的应用,ToF也可以和不同的CIS 感测器进行整合。


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