消费电子中的精确距离测量

Ted Tan

新款iPad Pro在 2020年发布，在这款新设备的后摄上加入了一枚LiDAR激光雷达，苹果明确宣称这是一颗采用dToF技术的深度感知模块。这一次，苹果把基于飞行时间ToF（Time of Flight）技术的3D感知带入消费电子领域，令人耳目一新。

iPad Pro 2020的LiDAR采用的是多点dToF技术，大约有3万个点，可以通过测量每一个点光线从发出、碰到物体返回的时间，获取物体的深度信息，从而为物体建立3D模型。实际上，基于这一原理的1D ToF技术早已广泛应用于对距离有精确测量需求的领域，比如消费电子领域，包括手机屏幕的自动亮屏和灭屏，手机摄像头的自动对焦；还比如物联网领域，包括人脸支付终端的距离检测，商场中触发自动开关门应用，自动化工厂里用于工人与机器人近距离协同工作时控制安全距离，智慧城市中的智能垃圾桶量满检测等。

目前，1D ToF有两种技术实现方式，其中，通过发射、接收光并测量光子飞行时间从而确定距离的直接测距dToF，具有Truedistance、快速响应、低功耗以及多物体同步精确检测等优势，更受消费电子领域欢迎。

基于直接测量的方法，原理非常简单，发射一束脉冲光波，通过光学快门快速精确获取照射到三维物体后反射回来的光波的时间差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的时间差，来回的距离可以通过公示d = t/2· c。此种方法原理看起来非常简单，但是实际应用中要达到较高的精度仍具有很大的挑战，如控制光学快门开关的时钟要求非常高的精度，还要能够产生高精度及高重复性的超短脉冲，照射单元和ToF传感器都需要高速信号控制，这样才能达到高的深度测量精度。 假如照射光与ToF传感器之间的时钟信号发生10ps的偏移，就相当于1.5mm的位移误差。

ToF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射，一般采用LED或激光（包含激光二极管和VCSEL）来发射高性能脉冲光，脉冲可达到100MHz左右，主要采用红外光。

1dToF模组还必须有一个光学镜头，不过与普通光学镜头不同的是，这里需要加一个红外带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。由于光学成像系统不同距离的场景为各个不同直径的同心球面，而非平行平面，所以在实际使用时，需要后续数据处理单元对这个误差进行校正。

ams的1D ToF系列，包括已成熟量产的TMF8701和新近发布的升级版TMF8801，基于ams专有的单光子雪崩二极管（SPAD）像素设計和具有极窄脉宽的时间-数字转换器 （TDC），可实时测量光子的直接飞行时间，实现快速精准确定物体的距离，测量距离可以从1.5cm到2.5m。

ams持续保持世界最小纪录的1D ToF传感器TMF8701、TMF8801系列，针对占位检测进行了优化，是ams 3D传感整体解决方案的一部分。通过1D ToF的占位检测，可适时唤醒眼球追踪、注意力检测等功能，进而适时唤醒3D识别系统，从而实现更低功耗、更缜密安全的人脸识别，适用于如移动设备的人脸识别应用、家居系统的手势和人员识别、机器人导航以及车用高级驾驶辅助系统 （ADAS）。