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超越自己 ST在ToF和影像传感器持续发力

2019-03-26
王洁
电子技术应用

随着全面屏手机的爆发,智能手机对屏占比的要求越来越高,传统的HOME键逐渐转被屏下指纹和人脸识别技术所取代。从苹果2017年率先推出基于3D结构光技术的iPhone X开始,目前不少的手机厂商已经陆续推出了支持3D人脸识别的旗舰机型。

而人脸识别技术中以3D结构光和ToF为两个大热,并且相比3D结构光技术,ToF因受光照影响相对小、使用距离相对远,越来越受到手机OEM厂家的青睐,在后摄中的优势则更为突出。

在近期举办的上海慕尼黑电子展上,在激光测距和摄像头方面具备领先优势的半导体供应商意法半导体(STMicroelectronics,简称ST)展示了其ToF测距芯片和照相感应器应用中的众多亮点产品。展会期间,《电子技术应用》记者采访到了意法半导体影像产品部技术市场经理张程怡先生,针对ST影像部分的两大块产品以及ToF技术的发展进行了深入的沟通和讨论。

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意法半导体影像产品部技术市场经理 张程怡先生

三大系列Flightsense,适应各类消费应用需求

ToF可不是近两年才有的技术,ST在ToF领域深耕5年,目前已经推出了针对短、中、长距离(30cm、1.5m、3m)的三个版本的ToF测距传感器,称为Flightsense系列,出货量超过3.5亿颗,年均增长率300%,在手机后摄的激光对焦应用中几乎占领全部的市场份额。第三代的VL53L1X实际最大测距可以到4m。

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Flightsense产品路线图

除了在手机摄像头领域拥有绝对优势,ST的Flightsense还在更多的需要测距的消费电子领域有广泛应用。应用于平板电脑中,一旦FlightSense器件检测到人体离屏幕太近,屏幕就将自动熄灭;应用于扫地机器人中,可以实现沿边功能,使得它与墙体始终保持一定的距离沿墙直行;应用于室内跟拍无人机,实现定高,使无人机稳定地悬停、迅速地跟拍,并防撞;应用在卫浴中,可以实现手势开关;还可以用在冰箱外部显示屏中,接近即自动点亮显示屏等,只要是用到测距的领域,Flightsense都可以发挥其特长。

ToF近两年广受关注,可以做ToF传感器的不止ST一家,而ST在ToF领域拥有充足的积淀并持续发力,有着其独特的竞争优势。张程怡先生介绍:“ST的Flightsense优势在于:尺寸小、符合⼀级安规、数字输出、发射接收集成于一体、准度高(抗温度变化、各类室内光源、目标物颜色干扰)。并且ST的三大系列产品针对不同测距需求,可以方便客户选择更适合其应用中各类测距需求的产品。”

在抗干扰方面,由于Flightsense发出的是940nm的红外光,是一种不可见光,在生活场景中相同波段的光源含量少,干扰源少;加之ST在接收和计算能力拥有很强的性能,因此可以实现高准确度的测距。

ST FlightSense 三个D-IN关键

ToF的基本原理是一发一收,计算光束发送和接收的时间差,进而获得距离。根据张程怡先生的介绍,Flightsense的测距,其打出去的是一个拥有有效角度的光束,是一个面光束,相比点光束,在测量运动物体时,更容易获得有效反射光。

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FOV (视场角) 锥体的有效区域

在ST 官网上提供了代码库(API) 及手册,代码库(API) 封包,数字输出,这些都是开放的,设计者很容易上手。以VL53L0CXV0DH/1 为例,需求MCU 资源< 15K。

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例: VL53L0CXV0DH/1手册第19⻚(error code)

光学盖片(cover glass)对摄像头的保护和成像效果也有着不可或缺的作用,ST提供了光学盖片的选用与组立建议,客户可根据建议来选择;同时也推荐了特定第三方的滤光片标品,方便客户直接上手。

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光学盖片(cover glass)的选用与组立

下一代Flightsense什么样?

5年来,ST在ToF领域不断探索,据张程怡先生透露,ST将在2020年推出下一款的Flightsense产品,测距仍然会在3~4m之间,但是会在光学层面加以强化,在面光的有效范围之内做切割,目前的相机可以做到人脸对准,加入该技术之后可以做到对准五官,在景深上会更加精准。

随着3D识别的兴起,结构光和ToF被越来越多地提及,并似乎被放到了两个阵营里面,张程怡先生认为,结构光和ToF不是对应的,在成像上,结构光+ToF才与多摄像头+ToF是两个阵营,这样也不难理解为什么ST要一直在ToF领域深耕了,毕竟ToF也是适应未来发展的关键技术之一,坚持做到极致也不失为一种极佳的策略。

针对驾驶员监测的影像传感器

如果说Flightsense系列主要针对的是消费应用,那ST的Vx5661和Vx5761影像传感器则主要是针对车载驾驶员监测。

这两款先进的图像传感器同时具备高动态范围(High-Dynamic Range,简称HDR)和全局快门,可以控制摄像机补光灯拍摄场景影像,避免太阳光、路灯等无法预测的外界因素影响画质,强化汽车系统对驾乘人员的监测能力。其使用波长接近940nm的近红外光源,补光时灵敏度更高,在车载领域可以监测驾驶员的眨眼,持续关注眼皮的闭合,评估驾驶员注意力。

新传感器嵌入了意法半导体的汽车全局快门技术,即使在高动态范围模式下也能大大降低补光功耗。

HDR传感器表现.jpg

HDR传感器表现

独特的性能使得ST的影像传感器特别适合在运动场景中使用,如:运动照相机、农耕车等领域。

据了解,ST将在2020年推出可以感测环境光色谱的影像传感器,进一步拓展应用领域,在手机的后置摄像头中,可以通过感测环境光色谱,对屏幕的显像亮度进行更精准的调整,而目前的屏幕自动调光只是识别光的亮度,还做不到识别光的成分。

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ST展出多光谱相机的农业应用