第二代FlightSense的ToF激光测距的工程设计考量

摘要：ToF激光测距的精准度更高，可用于手机、控制面板和家庭服务机器人等。近日，ST公司推出了第二代FlightSense，并介绍了其原理及工程设计理念。

各种测距技术一览

　　测距方案很多，有传统的红外(IR)测距，精准的激光测距，还有近距离的电感式，测较远距离的超声波测距，甚至气压计也是一种测距方案，可以知道你离地是10公里还是5公里。

　　红外测距类似ToF原理，但它通常是两个元器件，发射和接收分开，也有的做在一起，但做在一起也要在系统上开两个洞。而FlightSense是封装在一起的一个芯片。

　　手机上传统的红外光传感器的红外光源对精度要求不高，而且没有计算时间差的能力，主要计算反射回来的光强度。其应用非常多，最常见的是打电话时，靠近耳朵时屏幕会自动关闭，不然手机靠在耳朵上时，不小心碰到了滴滴叫车，打一通电话也叫了三辆车。

　　测量光强度往往判断不精准，因为不同颜色物体对光的反射率/吸收率不同。

　　还有电感式的产品，但因为电感式的距离比较近。红外的距离通常也不远，做到10厘米内勉强可行，10厘米外不是它有没有精准度，就是扫描不到了。

　　再就是很长距离的应用，比如汽车导航用的超声波。其测距较长，20、50、80米等，但块头也较大，一般不容易装进消费类电子中。它的优点是能够测得很远，缺点是近距离时精准度有问题。假设你有50米的能力，你的误差1米问题不大，你倒车的时候，昨天和前天的警示音差了10厘米，你并不在乎，因为倒车时可能在1米或80厘米就开始警示你了，今天是75厘米警示你，后天是81厘米警示你，无所谓，所以应用的场景和精准度需求也不一样。

　　ToF(Time of Flight，飞行时间)测距也有两种，分别是基于相位的方法[1]和FlightSense直接计算光子返回时间差的方法。相位测距所谓的脉冲式，像一个锯齿状，相位式就是测波，怎样有正波和负波，但是它的激光必须累积到一定能量，一叠两叠三叠它叠了很多，但是必须回到一个关键的问题——安规。相位波的波峰超过特定的强度可能会不符合安规，因为你的波峰如果符合安规，其他的波就太弱了，所以相位法在消费性电子上的应用是受限的，因为如果波峰才能用，非波峰的地方全部浪费了，等于一秒的读值能利用的较少。这时一秒30发不够用，要拉到50发。而ST公司的FlightSense没有这个问题，FlightSense最关键的技术是如何在更远的地方拿到更多的光子。

　　因此，相位测距可能在工业应用上比较多，因为工业应用没有波峰的瓶颈。

ST第二代FlightSense问世

　　ST(意法半导体)在2015年曾发布过FlightSense，用于VL6180X激光测距传感器上，在手机和智能面板测距市场取得成功。“FlightSense是全球市场排名第一的ToF解决方案。”ST影像产品部技术市场经理张程怡称。今年6月30日，ST又推出第二代FlightSense 技术，并用于新的VL53L0X激光测距传感器上。

　　VL53L0X将ToF测距长度扩至两米，精确度在±3%范围内。测量速度较上一代产品更快，测距时间不足30ms;更高能效，正常工作模式下功耗仅20mW，待机功耗只有5µA。封装尺寸为2.4mm x 4.4mm x 1mm，在市面上同类产品中很小。

　　近日，ST公司张程怡经理又详细介绍了FlightSense的测距原理及第二代产品推出的工程设计考量。

FlightSense激光测距原理

　　图1是FlightSense器件基本构造。左边是FlightSense器件，该器件非常小，手都捏不起来。一个口是发射，另一个是接收。实际上，所有测距或者感应的产品基本是这个原理。其特点是应用领域广，因为到处都有光反射。

　　该产品之所以叫做测距，因为它利用了光子旅行的时间，乘上光速除以2得到距离。它利用的是光射到物体以后会反射回来。因为算的是时间差，所以它能够克服大部分环境光的干扰。如果是黑色、白色物体，即便回来的光的数量(光强)是不同的，但它的返回时间是一样的。有这样一个比喻，假设现在回到旧社会，现在派出100个兵去侦查，结果90个给击毙了，只回来10个，和我派出100个兵去侦查，10个被击毙，回来90个。如果我用这来作为依据的话，他们去到的地方是一样的，只是回来的人数不同。如果我是用回来的数量(强度)计算的话，回来90个人表示地方很近，回来10个表示地方很远，这就会产生误差。所以，FlightSense测距之所以能够突破性地发展，就是因为可以用光的时间差来测距。

　　图2的左图是ST的第一代产品。第一代产品有一部分手机的应用，有一部分作为智能面板的开关的应用。中间是2016年6月30日发布的第二代器件，优势是最远能够做到2米的测距。预计一年后的2016年推出第三代测距，测距能力在现有能力上再翻一番——达到4米。

　　FlightSense可应用于手机、平板上，还可以用于卫浴、机器人、面板等。图2中，注明第一代FlightSense带有环境光感测的功能，第二代没有了。其原因是环境光感测是能够知道环境的明暗，它一般对有显示屏的面板才有意义，因为显示屏距离40厘米以内，比如手机显示屏、家居面板显示屏等，人靠近它，它会亮起来。第二代产品的应用场景相对远，就没有定义这类应用。

　　FlightSense第二代产品——VL53L0X有几个特点。如图1有发射和接收部分，发射是一个激光源，接收就是所谓的SPAD红外接收器。另外感应器，传统上的摄像头有800万像素、1300万像素，更牛的还有2000万像素，但强项基本是可见光，也就是它需要做成像，你拍张照可以看到红橙黄绿蓝靛紫，但在FlightSense，不在乎光的颜色，而在乎光子的数量，其制程也是非常独到。因为SPAD是半导体的制程，也是ST自己拥有和生产的。

　　第二点就是发射端，VCSEL。VCSEL两代用的光是不同的，第一代用的是850纳米光，第二代是940纳米光。

　　第三点是符合一级安规。一级安规表示适合消费性电子，人眼能够直视，不伤眼。

　　第四点是全功能的集成。

　　图3列出了第一代和第二代的比较。可见第二代最小测距达到了2米，这个2米直觉上还是要有一个特殊的场景的设置，就是背景光比较暗，目标又比较白，经过一些特殊的软件配置做到的。在一般的应用环境，1.5米是可以做到的。如果1.2米左右的表现，基本拿出来就能达到了，所以距离和使用者的应用场景有关。

　　另外，二代的激光器频谱不同。图3右图代表太阳光的频谱。人眼只能看到一部分频谱，即可见光。在人眼看不到的光中，其中第一代用的是850纳米，在光中为什么要找到850纳米呢?因为人眼看不到，因此干扰较少。为什么第二代要到940纳米呢?如图3，940纳米是自然界中，尤其是室内环境含量最低的一个波谷。因此，由于激光器所发射的940纳米的波段在环境中数量很少，因而发出的光受到的干扰很小，因此，第二代比第一代的有效距离长了很多。这是FlightSense所独有的技术。另外，算法上的优化也是测距更长的一个原因。

　　那么，第二代的测距时间也减短了，也和940纳米有关系吗?答案是肯定的。测距快，最主要的原因是激光源的改善。因为940纳米收回来的信息相对纯净一点，因此，处理速度就加快了。另一个原因是算法的优化。

　　图4是FlightSense的探测锥形图。系统视野FoV(Field of View)是25°。FlightSense发出光的角度是圆柱角，特别像麦当劳的圆筒冰激淋。

　　刚才提到了冰激淋筒的圆锥角，一般是FOV 25°，从一个立体的角度看，就是上下左右各单边12.5°。第一代测距是40厘米，所以有一个直径约17厘米的有效的工作区块。第二代测距达到2米，这个区块直径达到90厘米，是很大的。

　　问题是：FoV 25°是怎么来的?实际上，市场上常见的是25度、35度的规格，每家供应商的侧重做法应该各有优劣。这好像轮胎的规格，你也不能说不能创造不同的规格，但车子就只有几种不同的规格。

　　ST是为了在精度更有效的涵盖范围内做取舍。因为角度越大会越散，会担心精度有折扣。但是角度太小了，涵盖的范围又太小。另一个考量是基于照相的需求，1.2米经常是手机摄像能力的正常点，因为照相的屏幕是方形，测距的圆怎样达到满圆?大概在25°角左右。所以有这么一个潜规则，但这也不是唯一的规范。

　　ST以后还会继续在这个25°吗?未来可能会有一些变化。在两代产品的经验上，在取舍角度方面会有一些创新。但方向不会变得很大，只是在这个范围内做优化调整。

　　测距的速度是毫秒级的，每秒可读出约30个读值。其速度远大于人眼接受或者其他主芯片能够跑的速度，所以这个速度可以应付各种日常的应用，诸如吸收槽、面板、测距的应用等，这些场景一般一秒3个或5个读值已经是很强的了，生活上用不了这么大的读值。之所以这么快，因为做了很多手机上的相关应用。

　　为了方便客户和开发商开发，ST也开发了两套应用的样片演示板。因为FlightSense器件非常小，拿去焊接非常困难。另外的原因是光学器件两个开口是不允许有污染的，容不下灰尘，所以，ST开发出小板，让客户很容易手焊。在方案中还有一个小MCU，封装在器件里。

　　FlightSense的应用有四个方面。第一，通信和计算机上面的应用，例如手机。第二，家用，诸如机器人、卫浴、面板、娱乐甚至玩具类应用。第三，新应用，玩具、首饰控制、虚拟显示头显中的手势控制等。第四，消费类的电子交通、安全、商务等。

FlightSense设计的热门问题

　　*因为有许多被测物体会吸收这些光子，ST的接收器件是不是应该加一些元器件来倍增一下?

　　目前没有这种做法，但往后会有类似的做法，ST第三、四代器件会做，就是怎样对付低反射率的物体。的确，对付颜色是一个关键指标，例如白色反射率高，黑色是吸收色。

　　第三代FlightSense如何从2米提升到4米，表示今天我对这个特定的物体只拿到100颗光子，我如何把100颗增加为200颗，或者如何在4米之外也能拿到100颗，所以其中一个做法，除了结构之外还有光学的做法，就是会加入光学的元素，加镜片，所以，镜片就能够通过凹凸透镜把更多的光给拉进来。

　　*所以今后主要是加镜片?

　　对，主要是通过光学的方法，因为FlightSense内部的结构做得不错，但难点在于怎样让更多的资讯进来。

　　*ToF传感器模块领域的投入是不是近几年才开始加大的?

　　ST投入的时间大概是这三五年。在2015年前花了很长时间在定方案和规格。

　　发展技术的基础有两个：一是ST过去是做光学影像的传感器，所以才能够做光学的处置的工作。二是过去在欧洲的太空科学当中，就有一个抓人造卫星的技术，除了数学运算以外，如何知道卫星的位置在哪儿，是不是跟数学计算是一致的，就要用物理的判断方法，这是一个重要的方式。激光架在山顶上，趴着三更半夜在打激光就是为了确定距离。

　　*这个产品属于数模混合芯片?

　　这是一个光学芯片，就像做相机摄像头2000万像素或800万像素的传感器的制程。因此，基本上就是一个光学传感器，只是它制作的元素和诉求不在于照相，它的像素也不是2000万。因为它的原理根本不需要这个，它要的是能够对光子的感应，但从纯制程角度来说几乎是一样的。

　　*除了手机领域之外，您认为未来在哪些领域它的增速会比较快?

　　比较侧重教育类的产品。觉得马桶的应用估计国内是一个风潮。服务型的机器人也不错，因为怕机器人撞人、撞到玻璃、撞到桌角等，所以要求它的可靠度越来越高。

　　*笔记本电脑有摄像头，它可以用摄像去做，只需要判断有或者没有，它完全从软件上做就可以了，没有必要去集成FlightSense?

　　摄像头也是一种做法，但ST寻求不同的切入点，例如在功耗上，摄像头的耗电稍大一些。因为低功耗是硬件的优势，软件的优势就是我会自己跑，但缺点是中断才告诉你，所以系统会休眠掉，所以人离开的这三个小时里，摄像头到底要隔多久拍一次照，这也不好控制。硬要做是可以做的，机会也还是不错的。

　　*FlightSense的核心竞争力是什么?

　　ST在安规、精准度、尺寸和功耗上有显著的优势。

参考文文献：

　　[1]王莹.基于相位的ToF测距方法避免了背景光影响.电子产品世界，2016(4):78

　　[2]刘超,田俊杰.基于SOPC的高精度超声波雷达测距系统设计.电子产品世界,2015(11):51-53

　　[3]卓晴,鲁畅,金浩哲.高速微型光电检测电路设计.电子产品世界,2016(6):48-49

　　[4]贾南.顺序式波长色散X射线荧光光谱仪的运动系统控制.电子产品世界,2016(5):59-61

　　[5]Black B.用于宽范围光电二极管的跨阻抗放大器具有苛刻的要求.电子产品世界,2015(4):68-69

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第21页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。