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測距精準不用愁 飛行時間感測器持續進化
速度快 功耗低
[作者 王岫晨]   2021年01月11日 星期一 瀏覽人次: [2410]

ST是最早研發飛行時間感測器的廠商。截止今天,產品已經發展到第4代,與ST合作的OEM廠商已有50多家。此外,ST還擁有42,000多款開發套件在客戶和市面上流通。最重要的是,去年底,ST的ToF出貨量已超過10億顆。隨著推出更具競爭力的產品和服務,加上更多的細分市場,出貨量將繼續提升。


ToF原理與架構

意法半導體大中華及南亞區影像事業部技術行銷經理張程怡指出,ST的ToF解決方案FlightSense飛行時間感測器是透過雷射發射模組發射光子測量距離。光子擊中目標後被反射到另一個開口,即感測器或接收器端。因此,這是非常有效率的測距解決方案,原理通俗易懂,光速乘以光子飛行時間就是測量得到的距離,這也是非常重要的基本的測距設計準則。



圖一 : 飛行距離感測器主要功能
圖一 : 飛行距離感測器主要功能

測距結果非常準確,不受被測物體的顏色、大小或反射率而影響,當受測物體為黑色、白色或其他顏色時,測距準確率相同。這種感測器測距速度快,功耗低,採用的是非常特殊的940nm光源。


這個產品是一個小巧的黑色封裝模組。除了接收器和發射器之外,在模組內部還有處理器,這些元件全都安裝在一個特定的模組內。並且,VCSEL完全符合1類雷射產品安全標準。多數客戶都非常關心能否提供Class 1認證。


相較於市場上其他的ToF產品, ST的ToF感測器是更安全的解決方案,並可以依照客戶需求來提供Class 1認證。 這個認證對於使用VCSEL雷射器的產品非常重要,因為ToF的目標應用就在你我以及親朋好友的身邊,所以,安全是絕對重要的另一個要素。


ST的ToF產品,對於高性能測距要求,推出了不同的產品型號,以及不同的測量距離和視角。針對ToF技術,ST最新的產品為VL53L5,預期將在未來幾個月投放市場。林國志認為,發展ToF技術,最重要的是為客戶提供準確而可靠的測距解決方案。


此外,ST還為客戶提供方便的整合工具,包括STM32環境和推薦的玻璃蓋板。ST的解決方案除了功耗很低,並繼續研發新的解決方案,提供更長的測量距離、更多的測量區域、更高的測量線性度(相對於蓋板)。因此,無論是指紋還是汙垢,都比以往的處理得得宜。


DToF vs. iToF

在ToF的市場上,有包含了dToF和iToF等兩種技術。dToF和iToF市場應用不一樣,對大眾市場來講,dToF這種產品使用起來比較簡單便利,因為它的尺寸比較小,對於產品供應商來說,能夠提供的型號也比較多。


就客戶來說,客戶可能會有各種不同的應用,不同的應用使用dToF對他們來說有比較多的選項。相對於iToF來說是解析度比較高的一個應用,所以它本身的系統架構也比較複雜,跟dToF比較起來可以說是完全不一樣。而無論是dToF還是iToF,對於ToF技術供應商ST來說,都有相關的產品上市計畫,iToF目前規劃將等這一兩年市場上的應用已經完備了再行推出。


針對這個議題,意法半導體大中華及南亞區影像事業部技術行銷經理林國志也表示,其實每個客戶的要求都是不一樣的,所以針對不同需求,ST會提供多個型號供客戶選擇。可能會包含:不同距離的偵測、不同角度的偵測、單點跟多點不同的需求。



圖二 : 測量距離延長可擴大目標偵測區域
圖二 : 測量距離延長可擴大目標偵測區域

此外,針對不同的產品,ST也可以在硬體或光學上提供不同的設計,所以,有這些彈性以後,客戶就可以依照提供的選項選擇最好的產品,例如依據硬體來配合不同軟體與光學元件。目前ST提供的解決方案,都可以滿足客戶不同的需求。


從產品面來看,VL53L5CX對ST是一個全新的產品,過去前幾代產品都是單區產品,VL53L5則是一個新演進的多區產品,而且可以支援到64區,目前沒有看到市場上有相關產品出現。因為它有多區,所以它的應用面會比較廣,單區是著重在單動作的開關,但多區就相對應地有更多的應用,比如說手勢操控或者是一些AR/VR應用等,都可以考慮進去。


ToF的全新系統設計

VL53L5CX產品本身是全新的產品,不論是在接收端感測器本身的設計,或者是在光源發射端的VCSEL設計,它完全是不一樣的設計,因為在接收端目前擴充角度從27到61度,擴充角度就是為了接收到更寬的影像輸入,所以在感測器自身就需要帶有更多的二極體。


在光源發射的部分,相對於接收的61度,光源本身也必須能夠發射到61度甚至更大一些,所以在光源部分目前採用多點VCSEL設計,同時接收感測器和發射的設計都是新的。


至於功耗方面,若要對比VL53L5CX和VL53L1CX功耗的表現,就必須參考客戶的使用方式,兩者的用法不盡相同。因為VL53L5CX是多區的感測器,一般客戶會拿來做比較複雜的應用,比如可能拿來做手勢操控,這可能需要感測器一直維持開啟狀態,也就是VCSEL維持發射狀態,如果是這種連續的使用模式,當然相對應的功耗會增高。但如果是進行單偵測模式,感測器就不需要持續開啟,本身的功耗就可以降低。


VL53L1CX本身就是低功耗感測器設計,它也可以拿來進行單偵測或連續偵測使用,以單偵測模式來看,其功耗非常低,可以使用在一些帶有電池供電的裝置上。當然這些功耗最後還是會回歸到客戶的應用,亦即客戶的應用將決定整個系統的功耗是高還是低。


與CIS結合

林國志說,ToF在與CIS產品(CMOS影像感測器)的結合,目前已經在發生,這可以從三個方向來說。一是手機的應用,dToF在手機應用上主要是在快速對焦,這是需要結合目前市場上主要使用的CIS,它的解析度可能非常高,例如2000萬像素,或者是達到4800萬像素。相對於高解析度的CIS,它本身在一個陰暗環境或複雜場景的環境下,沒有辦法看得清楚、沒辦法讓對焦做得很好。所以,如果ToF和高解析度的CIS結合在一起就是一個更為完美的組合,這是目前市場上所有主流手機上看到的組合,也是ToF在手機上面的主要應用。


第二個部分是電腦PC的部分,PC部分的ToF和CIS結合的用法就會不太一樣,它在PC上主要用來做觸發,使用者到了螢幕前的時候,就啟動CIS去做登入的動作,進而可以做到省電或者是保護螢幕的功能。


第三部分還有更多其他的應用,例如在智慧門鎖和智慧閘門方面也需要用到CIS和ToF的應用,CIS也有兩種,有一種叫做捲簾快門,有一種叫做全局快門,像手機用到的就是捲簾快門,一般門鎖用的都是相當於全局快門的感測器。針對不同的應用,ToF也可以和不同的CIS 感測器進行整合。


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