紅外ToF技術(shù)將大幅提升接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性

接近傳感器及現(xiàn)有方案

接近感應(yīng)傳感器在我們的生活中發(fā)揮著重要的作用，在智能家居家電中廣泛存在，如自動(dòng)感應(yīng)出水的水龍頭，自動(dòng)感應(yīng)送風(fēng)的空調(diào)，自動(dòng)檢測(cè)并避開(kāi)障礙物的掃地機(jī)及自動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉的走廊燈等等。接近感應(yīng)的主要技術(shù)手段目前主要有紅外傳感（包括主動(dòng)紅外和被動(dòng)紅外）、超聲波傳感、多普勒微波傳感及紅外光飛行時(shí)間（ToF）等。每一種技術(shù)手段都有其獨(dú)特性及優(yōu)缺點(diǎn)，下面我們將展開(kāi)討論。

主動(dòng)紅外因其成本低廉而應(yīng)用廣泛，其主要由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。紅外發(fā)射管會(huì)發(fā)射一調(diào)制紅外光信號(hào)，該信號(hào)在遇到障礙物后被反射回來(lái)，接收管通過(guò)接收該反射信號(hào)并判斷反射信號(hào)的強(qiáng)度（即反射幅值）來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近。然而，由于反射信號(hào)的強(qiáng)度不僅和障礙物距離有關(guān)系，還和障礙物的顏色有關(guān)，因?yàn)椴煌伾恼系K物有不同的反射率，而且容易受到環(huán)境光的影響，故其可靠性比較低，無(wú)法輸出一個(gè)準(zhǔn)確的距離信息，只能通過(guò)調(diào)試設(shè)置一個(gè)粗略的觸發(fā)門(mén)限 ，用于要求比較低的場(chǎng)合。

被動(dòng)紅外是基于熱釋電效應(yīng)的一類(lèi)傳感器，由菲涅爾透鏡和熱釋電傳感器構(gòu)成，其中菲涅爾透鏡主要用來(lái)將被測(cè)區(qū)域內(nèi)的人或者動(dòng)物所發(fā)出的紅外能量聚焦到感應(yīng)窗口，感應(yīng)窗口的濾光片會(huì)濾除特定波長(zhǎng)（一般為人體發(fā)出的紅外波長(zhǎng)）之外的環(huán)境光。濾光片下面會(huì)有兩個(gè)紅外光敏感元，相向串接在電路中，在空閑狀態(tài)時(shí)由于接收到相同量的環(huán)境紅外光而相互抵消，故沒(méi)有輸出。當(dāng)有人或者動(dòng)物經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由于熱釋電效應(yīng)其散發(fā)的紅外能量首先被第一個(gè)敏感元檢測(cè)到而產(chǎn)生一個(gè)正向的小信號(hào)輸出，繼而又被第二個(gè)敏感元檢測(cè)到而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的小信號(hào)輸出，通過(guò)信號(hào)放大，傳感器便可檢測(cè)到附近人或者動(dòng)物的活動(dòng)?；谝陨显恚覀儾浑y看出，該類(lèi)傳感器可以感應(yīng)檢測(cè)范圍內(nèi)的人體或動(dòng)物的移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生觸發(fā)，靜止的人體是無(wú)法檢測(cè)的，而且在環(huán)境溫度接近于人體溫度的夏天，傳感器可靠性會(huì)受到較大影響。傳感器無(wú)法感知被測(cè)物體距離傳感器的距離有多遠(yuǎn)。

圖1 主動(dòng)紅外

圖2 被動(dòng)紅外原理

圖3 被動(dòng)紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多普勒微波傳感器，顧名思義是基于多普勒效應(yīng)工作的一類(lèi)傳感器，當(dāng)被測(cè)對(duì)象相對(duì)于傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，傳感器發(fā)射的電磁波頻率和接收到的由被測(cè)對(duì)象反射回來(lái)的電磁波頻率不同，即產(chǎn)生頻移，對(duì)該頻移做信號(hào)調(diào)理便可產(chǎn)生一觸發(fā)信號(hào)。該類(lèi)低成本傳感器和被動(dòng)紅外傳感器一樣只能檢測(cè)目標(biāo)的移動(dòng)，而目標(biāo)靜止時(shí)無(wú)法檢測(cè)到。

超聲傳感器是利用超聲波作為載體的傳感器，廣泛用于各類(lèi)測(cè)距及接近感應(yīng)應(yīng)用中，一般由一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器構(gòu)成，發(fā)射器發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖出去，該脈沖遇到障礙物被反射回來(lái)被接收器接收，通過(guò)計(jì)算超聲波的飛行時(shí)間乘以聲波的速度，便可以得到障礙物的距離。常用的超聲傳感器可探測(cè)角度比較有限且體積較大，通常需要開(kāi)音窗，不適合在工作環(huán)境較差的環(huán)境中使用。

基于光的飛行時(shí)間傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器，受到廣泛關(guān)注，在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，那么這類(lèi)傳感器是如何工作的？其優(yōu)點(diǎn)是什么？這就要從它的工作原理說(shuō)起。

基于光飛行時(shí)間（Optical ToF）的接近傳感器基本原理

ToF全稱(chēng)為T(mén)ime of Flight, 即飛行時(shí)間，通常以紅外光作為載體，通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)這些發(fā)射和接收光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。光飛行時(shí)間的獲取通常有兩種方法，一種是基于光學(xué)快門(mén)法，一種是基于連續(xù)波相位差的方法。

基于光學(xué)快門(mén)的方法的原理非常簡(jiǎn)單，發(fā)射一束脈沖光波，通過(guò)光學(xué)快門(mén)快速精確獲取照射到三維物體后反射回來(lái)的光波的時(shí)間差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的時(shí)間差，來(lái)回的距離可以通過(guò)公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn)，如控制光學(xué)快門(mén)開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘要求非常高的精度，還要能夠產(chǎn)生高精度及高重復(fù)性的超短脈沖，照射單元和TOF傳感器都需要高速信號(hào)控制，這樣才能達(dá)到高的深度測(cè)量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。

實(shí)際應(yīng)用更多的是相位偏移法。如圖4所示，基于ToF技術(shù)的接近與距離傳感器典型框圖主要有兩部分構(gòu)成，紅外光發(fā)射器和返回光接收器。發(fā)射器發(fā)射一連續(xù)高頻調(diào)制光信號(hào)（如10MHz），該調(diào)制光遇到障礙物后被反射，少部分反射光被接收器接收。比較發(fā)射光信號(hào)與接收光信號(hào)如圖5所示，其相位差隨著距離的變化而變化，距離越大相位差越大，通過(guò)處理電路提取相位差并通過(guò)計(jì)算便可得出障礙物的距離信息。

圖4 單點(diǎn)ToF傳感器框圖

圖5 發(fā)射光信號(hào)與返回光信號(hào)相位差

基于相位偏移法ToF技術(shù)的寬視角接近傳感器

基于相位偏移法的ToF技術(shù)易于半導(dǎo)體技術(shù)集成與實(shí)現(xiàn)，可以使得接近傳感器性能上大幅提升的同時(shí)兼具很高的性價(jià)比。實(shí)際應(yīng)用中往往需要傳感器具有寬視角，能夠檢測(cè)整個(gè)視角范圍內(nèi)的障礙物的距離信息，德州儀器的最新參考設(shè)計(jì)《具有抗日光功能的寬范圍（120° FOV，1.6 米）接近傳感參考設(shè)計(jì)》提供了一個(gè)能夠輸出準(zhǔn)確距離信息的寬視角接近感應(yīng)解決方案。該參考設(shè)計(jì)采用了德州儀器最新的單點(diǎn)ToF模擬前端芯片OPT3101。

OPT3101 是高速、高精度的單點(diǎn) ToF 的模擬前端 AFE（算法基于連續(xù)調(diào)制波），用來(lái)接近感應(yīng)和目標(biāo)物 體的距離探測(cè)。如圖6所示，芯片集成了完整的深度/距離處理單元--包含 ADC、時(shí)序發(fā)生器和數(shù)字處理 引擎，以及發(fā)射光二極管驅(qū)動(dòng)電路（最大 155mA）。所以系統(tǒng)只需要連接外部的光源發(fā)射調(diào)制光信號(hào)，和 外部的光電二極管 Photodiode 接收發(fā)射光到芯片輸入端。同時(shí)由于集成較高的環(huán)境光抑制能力，芯片能夠 工作在較強(qiáng)的環(huán)境光條件下（如 130Klux），甚至 1000 倍于信號(hào)強(qiáng)度（如 200uA 環(huán)境光 vs 200nA 的信號(hào) 強(qiáng)度）。芯片輸出數(shù)據(jù)中包含 16bit 的 Phase（景深/距離）數(shù)據(jù)、15bit 的接收反射光 Amplitude 強(qiáng)度數(shù)據(jù) 和 9bit 的環(huán)境光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過(guò) I2C 接口（Slave）輸出。芯片另一個(gè) I2C 接口（Master）是接外部溫度 傳感器（若需要，芯片本身已有集成了溫度傳感器），用來(lái)做溫度校正功能。

圖6 OPT3101內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7所示為設(shè)計(jì)原理框圖，由于OPT3101的高集成度，傳感器的外圍器件非常簡(jiǎn)單，主要由三個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。MCU負(fù)責(zé)對(duì)OPT3101的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)讀取。設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)120度可視角范圍內(nèi)的障礙物距離檢測(cè)，其中，每個(gè)紅外發(fā)射管負(fù)責(zé)40度范圍，三個(gè)共計(jì)實(shí)現(xiàn)120度，如圖8所示，紅外接收管的可視角大于120度并且中心頻率與發(fā)射管一致。

圖7

圖8

該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、具有精確距離輸出的接近傳感器

直接距離輸出，無(wú)需占用MCU計(jì)算資源

觸發(fā)門(mén)限隨意設(shè)定

不受物體是否移動(dòng)影響

體積小巧靈活

2、120度寬視角

整個(gè)視角分為3個(gè)區(qū)域，由三顆發(fā)射燈分別覆蓋

可識(shí)別物體處于哪個(gè)區(qū)域

3、不受物體顏色及反射率影響

高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）

更高可靠性

4、更好的環(huán)境適應(yīng)性

日光免疫，可在日光下可靠工作

黑暗環(huán)境下不受任何影響

審核編輯：郭婷