這些年，如何讓機器獲得能夠感知距離的3D“視覺”能力，一直是一個熱門的研究方向。不要小瞧這個在2D平面基礎上添加的包含“深度”數據的第三維信息，它將為開發者提供一個給力的HMI（人機交互界面）工具，讓他們設計的產品更容易打動用戶的芳心。

比如說，玩家進行3D體感游戲時，活動的不再僅僅是手指，而是全身都可以沉浸其中；3D人臉識別提供的有深度信息的人臉模型，讓那種“用照片騙過攝像頭”的做法不再奏效；一個智能設備，可以精準感知到“主人”的到來，而迅速被激活……

讓機器設備獲得這種深（距）度（離）感知能力的技術路徑有很多。你可以使用紅外接近傳感器，不過它們大多作用距離短且測量精度不高。結構光是一種公認的高精度測量方法，不過其后處理算法比較復雜，需要消耗大量的計算資源，且光學系統的調校和維護也有門檻，想讓它放下身段進入更廣闊的消費級應用，并不容易……因此越來越多的人將目光聚焦在ToF（飛行時間）傳感技術身上。

ToF技術的工作原理很好理解，它是通過測量從傳感器發射出的光子或電磁波，遇到目標物體后反射回來所需的時間，精確計算出兩者之間的距離（如圖1）。與結構光技術相比，ToF方案無需復雜的后處理系統，系統簡單、體積小、誤差小，具有明顯的成本優勢，且抗干擾能力強，可以提供足夠高的測距精度，因此這兩年發展勢頭頗為強勁。

圖1：ToF技術通過測量光或電磁波往返的

飛行時間來計算被測物體的距離（圖源：ams）

現如今，盡管人們對可以支持數萬個深度測量點、作為3D結構光人臉識別競爭技術的3D ToF投入了更多的關注，但實際上，更為簡潔的、只提供一個深度點精準測距的1D ToF的應用空間更為廣闊。如今的1D ToF產品已經可以在一個芯片級的解決方案中，實現相當出色的性能表現，幫助開發者大開腦洞，將實時、精準的測距功能植入到各種應用場景中。

性能出眾的1D ToF傳感器

今天，我們就來認識這樣一款1D ToF傳感器，并一起探索可由它開啟的創新應用。這顆料，就是艾邁斯半導體（ams）最新推出的1D ToF傳感器TMF8801。

圖2：ams最新推出的1D ToF傳感器TMF8801外形緊湊

（圖源：ams）

TMF8801在一個2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的緊湊封裝中，集成了一個完整的1D ToF系統，包括：一個VCSEL紅外發射器、多個SPAD（單光子雪崩光電二極管）光探測器、時間-數字轉換器（TDC），以及一個用于算法處理的片上微控制器。

在工作時，TMF8801的VCSEL紅外發射器經過光學部件打出光子，同時給TDC發出一個“開始”的信號，當光子遇到障礙物會反射回來，被TMF8801的接收端SPAD所接收，并導致 SPAD發生雪崩，從而給TDC一個“停止”的信號，TDC通過計算開始和停止信號之間的時間，即可獲得光子往返的飛行時間，并計算出目標物體距傳感器的遠近。測量結果可直接輸出給系統主控制器做后續的處理。

如果僅從上述的工作流程來看，TMF8801與其他1D ToF器件相比別無二致，但實際上由于TMF8801在很多細節上的優化，使得其在最終的性能表現上顯得非比尋常。與采用間接ToF系統測量均距的產品相比，采用直接ToF時間測量方法的TMF8801能夠提供準確度更高、更真實的距離測量結果。

1

實時精確的dToF測量

1D ToF從技術上講可以分為iToF（非直接測距）和dToF（直接測距）兩種。其中iToF通過測量發射波形和接收波形間的相位差換算飛行時間從而確定距離，而dToF是通過直接測量光子發射、接收飛行時間來確定距離。TMF8801采用的是dToF技術，因此與前者相比具有更快速的響應、更低的功耗，可有效消除iToF中存在的多徑干擾的影響，且支持多物體同步精確檢測。同時，由于TMF8801中集成了ams專有的 SPAD和具有極窄脈寬的TDC，也進一步強化了在實時性和測量精度上的優勢，使其可以在2cm~2.5m距離內達到5%的測量精度，分辨率小于1mm。

圖3：TMF8801系統框圖

其內置一個完整的1D ToF系統（圖源：ams）

2

直方圖輸出實現更強抗擾能力

TMF8801避免多徑干擾的一個“法寶”，就是其具有直接輸出直方圖數據的功能——相關數據處理由一個Arm Cortex M0片上微控制器完成。直方圖是目標物體反射回來的紅外光子數量在不同距離上的統計分布圖，通過直方圖可以直觀地獲知在測量范圍內多個物體的距離信息。

圖4：TMF8801直方圖中顯示出的

多物體的數據信息（圖源：ams）

除了多物體感測，直方圖功能還可有效減少光學路徑中玻璃蓋板、油污等因素的干擾。這是因為玻璃蓋板及附著在它上面的油污，其在直方圖上的距離分布范圍是固定的，因此很容易通過算法優化將這些干擾信號“濾除”掉。因此，此類光學路徑中固定的干擾源不會影響TMF8801的工作。

圖5：直方圖輸出中油污距離位置固定

可通過算法優化消除干擾（圖源：ams）

3

自動校準確保測量精度

測量系統的校準是必不可少的，dToF需要進行的校準工作包括時間校準和光學校準，這些過程TMF8801都是自動實現的。

時間校準方面，為了避免內置時鐘偏差，TMF8801會自動以系統時鐘為標定，實時的校準；而光學校準方面，TMF8801采用的是在產線上一次性光學校準，無需人工參與，只需保證在暗光或是無光環境下，且40cm內無遮擋，即可軟件觸發校準。這無疑為用戶提供了便利，以確保在產品整個生命周期內測量性能不打折。

4

通過人眼安全認證

作為一種基于紅外激光工作的器件，安全防護必不可少。TMF8801通過了針對940nm VCSEL的1級人眼安全認證，在遇到突發情況的時候，紅外激光源可以自動關閉以確保用戶的安全。

綜上所述，可以看出TMF8801的定位就是“一顆讓用戶用著既省心又放心的1D ToF傳感器”。這樣一來，用戶就可以將更多的精力，放在更具創新性的應用場景的挖掘上。

不斷擴展的應用場景

說到1D ToF傳感器的應用場景，是一個讓人興奮的話題，因為它的想象空間確實很大，尤其是手中有了TMF8801這樣高性能、低功耗、小尺寸的器件，開發者試水一些新應用的底氣也會更足。

1D ToF傳感器一個最典型的應用，就是集成在智能手機前置光學模組上，為3D人臉識別功能提供支持。大家知道，為了實現3D人臉識別，手機前置光學模組上增加了幾個能耗大戶，比如泛光燈、紅外攝像頭、3D成像組件（如結構光投影器），這些器件肯定不能總處于工作狀態。這就需要低功耗的1D ToF保持常開偵測屏幕前方的目標，當規定距離中出現人臉或疑似物體時，再依次喚醒其他組件，進行3D人臉識別操作。據ams測算，集成1D ToF的3D人臉識別系統，一次解鎖流程可節能超70%。

在解鎖過程中，1D ToF仍然發揮著重要的作用。因為在人臉3D建模時，人臉與手機屏幕的距離是固定的，而在解鎖時人臉與屏幕的距離不可能與建模時的距離完全一致，這時就需要通過1D ToF做精確的距離檢測，并將此數據給3D識別系統做距差還原處理，之后再與原始的人臉3D特征信息進行比對，這讓整個解鎖過程既安全又快捷。

在手機解鎖之后，1D ToF并沒有閑著，仍然有用武之地。現在用戶手機中的各種App越來越多，用戶在每個App上花費的有效時間是多少，對于App的開發者以及廣告商等利益相關者，都是一個關鍵數據。這時利用1D ToF（以及其他傳感器）感知用戶人臉停留在手機屏幕前的準確信息，就可以實現所謂的Attention Aware功能，提供更有價值的數據。

圖6：1D ToF是手機3D人臉識別中

必不可少的組件（圖源：ams）

除了上述在手機前置光學模組上的應用，TMF8801的一個特性令其應用擴展到了后置攝像模組中。由于TMF8801與上一代的TMF8701相比，最大感測距離從60cm大幅提升至250cm，因此它可以為手機后置攝像頭實現激光探測自動對焦（LDAF）功能，在任何環境光條件下，都能根據目標物體距離準確對焦，且根據對焦距離準確調節攝像頭閃光燈的亮度，提高圖片的質量。與傳統的基于CCD半導體成像器件自動聚焦方案相比，基于TMF8801的LDAF方案對焦速度更快，成本也更低。

圖7：TMF8801可以為手機后置攝像頭

實現LDAF功能（圖源：ams）

除了手機，TMF8801的優異性能也在助推其向更廣闊的應用空間邁進。比如安裝在智能電視上的1D ToF，可以在用戶——特別是自控力較弱的兒童——過于靠近電視屏幕時，自動調暗或關閉顯示器背光，或是發出警告，提醒用戶遠離電視、保護視力。而在其他需要精準測距的領域，比如掃地機器人、無人機、自動運輸避障等應用中，也都有可以讓TMF8801一試身手的空間！

圖8：多顆1D ToF傳感器在電視上的應用效果圖

（圖源：ams）

說到這兒了，你的腦洞是不是也逐漸打開了？你有什么有“深度”的設計創意，可以讓TMF8801這樣的1D ToF傳感器幫你測量一下？想讓這些設計創意成為現實，先到貿澤電子TMF8801產品專頁，獲取更多技術信息吧！