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VL53L5 是意法半导体首款能够测量64个区域的飞行时间 (ToF) 传感器

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发表于 2022-1-28 10:39:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 arm 于 2022-1-28 10:55 编辑

VL53L5 是意法半导体首款能够测量64个区域的飞行时间 (ToF) 传感器


意法半导体将推出一款新的ToF芯片VL53L5,视角将达60度

原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_435568.html


在去年四季度召开的IEEE Sensors 2021大会上,意法半导体在会上宣讲了五篇论文(全部论文名录见下文),涵盖多个不同的专题,其中一个研究方向引起与会者的关注。Fabrice Martin宣讲的题为“内置光源的一体式 64 区 SPAD 直接飞行时间测距传感器”的论文揭开了 VL53L5的神秘面纱,披露了目前尚未公开的技术细节。

IEEE Sensors 2021:揭秘VL53L5

测距特性

The VL53L5

2020 年底发布的VL53L5 是意法半导体首款能够测量64个区域的飞行时间 (ToF) 传感器。在 IEEE Sensors 2021 大会结束后,公众对该产品的技术细节有了更好的了解。例如,意法半导体证实,4 x 4 或 8 x 8 网格模式对测距性能的影响很小。两种模式在黑暗环境中最大测量距离均达到 4 米,在 5,000 勒克斯的标准室内亮度下的最大测量距离约 1 米。此外,4 x 4 网格测距模式每秒可捕获 60 帧图像,而在测量64 个区域时捕获速度被限制在 15 Hz。因此,工程师可以更清楚地了解每种模式固有的参数优化情况。

VL53L5横截面图

硅片结构

距离标记与相机拍摄的照片重合的8 x 8 网格模式

我们还向与会者出示了 ToF 传感器的横截面图和各种图表,帮助他们了解传感器的测距性能。无论过去是否熟悉这种产品,与会者都弄明白了其内部工作原理。例如,横截面图描述了衍射透镜在区域测距中的作用。我们的团队还展示了 VL53L5芯片。意法半导体提供回路SPAD二极管阵列、32 位微控制器、VCSEL 驱动器等组件,因此,这是一个设计灵活性较高的测距系统。例如,MCU 执行并行计算,满足测距区数量增加对数据处理能力的要求。意法半导体还用图示解释了为什么 VL53L5 不用外部微控制器,本身就能计算信号数据。

IEEE Sensors 2021:窥探未来产品

自供电BLE蓝牙传感器

在意法半导体宣讲的其他论文中,有一篇探讨了一种无需安装电池或外部电源即可工作的光感设备。此外,这个光传感器还可以收集能量,驱动BLE蓝牙低功耗模块发送数据。这个想法并不新鲜,但该论文使用了市面有售的元器件,使这种光传感器具有商用可行性。为了实现这一个概念,该光传感器采用了将光能转换为电流的光伏换能器。此外,BLE射频仅在信标模式下工作,以节省能源。

压电颗粒物探测器

微粒物质探测器小型化是另一个研究领域。传统上,此类设备体积庞大。意法半导体的论文打破传统思路,研究使用压电式微机电系统 (MEMS)探测颗粒。简而言之,把正面涂覆压电层的圆形薄膜置于两个电极之间,当颗粒掉落在压电层上时,薄膜上就会出现较低的谐振频率。这篇论文可以作为一项可行性研究,因而引起与会者的兴趣。论文表明可以创建一个移动性更强的颗粒物检测器。研究人员仍然需要优化该探测系统,但目前的研究成果为可穿戴设备安装颗粒传感器打开了一扇门。





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 楼主| 发表于 2022-1-28 10:51:53 | 显示全部楼层
随着ToF在手机等领域应用的日趋火热,也带动上游半导体企业ToF产品的热销。近日,意法半导体(ST)对外公布,其公司的ToF模块产品出货量已累计突破10亿大关。而实现10亿大关,并不是单一产品的销量,是ST ToF产品线的累计销量。“不像汽车或其他时尚的产品,有了新款就会弃用旧用,我们的上一代可能还有人关注。我们在规划每一代产品中,考虑了应用的特殊面向。ST第一款ToF产品于2016年推出,至今三代产品同时存在,各自都有比较好的市场,这也使我们能够累积出比较不错的成绩。”意法半导体大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡指出。据了解,对ToF10亿大关贡献最大的是手机照相。意法半导体大中华暨南亚区影像事业部技术市场经理张程怡告诉记者:“ST ToF最显著的应用是在手机照相上,几年下来累计约150款手机应用了我们的ToF方案。大家去年买的、今年买的、明年买的手机有可能就是应用了ST的ToF传感器。”


ToF技术原理


ToF(Time of Flight),属于一种光电产品,利用光转化成电子信号做各类应用。ToF有一个发射器,碰到物件反射回来算时间差,时间差×光速=距离测量值。


ToF尺寸小,因为它是一级安规,数字输出,非模拟值,能够数字输出。它和传统红外对管做法靠强度仿真模拟值的原理和效果都不同,若用这类传统红外对管, 客户自己基本得安一个发射器和接受器,算出一个模拟值,最后也省不到钱,还累死人。ST TOF 芯片直接给出5厘米、50厘米绝对数值,客户就很容易应用了,


ToF更大的卖点是高温度、抗温度变化,各类室内光源、目标物颜色干扰。





ToF产品线的高精度的实现,依托于40nm SPAD,SPAD是一个半导体较特殊的光学制程,它的画素(像素)能接受的光亮是目前可行性技术上最大的,也就是比CMOS的sensor更强大的光接收能力。此外,ToF不是一般的封装,而是采用比较特殊的光学封装。


同时,它是一种快速的低功耗,其940nm是人眼不可见的红外线。这意味着器件在用户完全没有看到的时候,已经开始在工作。


新一代ToF角度拓宽且可以切割


当前,随着苹果手机入局ToF以及5G技术的深入应用,ToF呈现一种蓄势待发的状态。为抓住这一发展浪潮,ST在原有三代产品的基础之上,将推出一款新的ToF芯片VL53L5。





与以往的三款产品相比,VL53L5实现了几方面的突破:一是角度大,扩展至61度;二是可切割,达到16个区域。具体如下:


一是角度大。张程怡指出,ToF产品视场角一般控制在25-27度左右,也结合发射功率、接收能力和算法能承受的有效范围内,统筹出FOV(视场角) 25-27度左右的有效距离。通过软硬件上的提升,目前角度整个能够达到60度。60度有两个好处:一方面涵盖范围更大,特别适合对应稍大型一些的产品, 如大家电,大银幕等;另一方面,这个大角度也可以编程,若用不上这么大的角度,客户可以编程取到所需要的角度,目前最大60度,往下有很多编程的方式可以做客户的应用。


二是实现多区域,可切割达到16个区域或更多。VL53L5切割后分成四个区块,即四个象限,每个象限可以再有切割,达到16个区域或更多。以16有效区域为例,每个区域都能独立输出它的测距,这代表了初步的深度的变化。多深度的关键必须是同时给数字,同一时间数字全部出来达到多区块(multi-zone)。“16个数字是不同的,通过这16个数字的变化就可以做到手势的移动了。稳定的手势识别在过去大家比较困扰,手势怎么识别,其实往3D的路上这件事情就会水到渠成的实现了。”张程怡分析道。


据悉,这款新品将于2020年实现量产。


应用集中在对焦和检测


ToF的功能主要包括:测距、存在检测、接近检测、环境光检测、反射率检测、多区域检测和3D检测。


依托上述的功能,ToF有着广泛的应用领域。主要包括:手机、电脑、家用机器人、智能家电、智能门锁、门禁、运输、货架、自动售货机、智慧建筑、智慧农业、智慧医疗等等。


为此ToF的应用主要分为三大类,张程怡指出:


一是应用于对焦。照相是一种对焦,因为可以准确得到距离;投影仪是一种对焦,因为对着墙来投影,通常设计比较高端一点的照相系统或投影系统。


二是人的检测。现在的智能系统,比如进高铁机场的闸机还不够完善,还需要人员操作,当这个事情持续推广下去,人在一米处系统就会启动,不管是刷脸、刷指纹,系统会非常流畅,不被遮挡、程序性的做这件事情;更先进的有人脸识别机、广告机,当人过来的时候进行启动。


三是物件的检验。最典型的是扫地机器人的避障。张程怡指出:“如何对障碍物检验、沿边等,以及向前走、向右转,使用的不止一个芯片,是多芯片串联的做法。”

原文链接:https://www.xianjichina.com/special/detail_435568.html
来源:贤集网
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。
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 楼主| 发表于 2022-1-28 10:52:19 | 显示全部楼层
ST TOF传感器第四代产品FlightSense—VL53L5
ST基于FlightSense™飞行时间(ToF)技术,推出了新一代的高性能接近和测距传感器。
1、VL53L0X   世界上最小的飞行时间测距传感器  datasheet:vl53l0x.pdf (下载次数:239)
2、VL53L3CX Time-of-Flight ranging sensor with multitarget detectiondatasheet:vl53l3cx.pdf (下载次数:223)
3、VL6180X   接近传感器、手势和环境光感应(ALS)模块  datasheet:vl6180x.pdf (下载次数:213)   
4、VL53L1X     基于ST FlightSense 技术的长距离飞行时间传感器  datasheet:vl53l1.pdf (下载次数:240)
5、VL53L5     New generation Time-of-Flight Ranging sensor  Datasheet: vl53l5.pdf (下载次数:359) ,


其他使用简单IR(红外)技术的接近传感器只测量信号强度,并可能受到目标反射率的影响,FlightSense™传感器则根据所发射光子的反射时间直接测量与目标之间的距离,可实现准确测距,不受目标表面特性的影响。
FlightSense™产品封装在“一体化”小型模块中,该模块包含激光驱动器和发射器,以及使ST的传感器具备出色的测距速度和可靠性的单光子雪崩二极管(SPAD)光接收机。
这种先进的ToF解决方案将ST的独特SPAD技术的优势与成熟的自有成像工艺和高产能封装设施完美结合。它非常适合具有下列要求的各种应用:
· 准确、高速测距
· 低功耗
· 有竞争力的系统成本
· 可通过灵活的机械设计轻松集成
FlightSenseTM技术和测距传感器可以用在许多应用领域:
· 接近感测
· 相机自动对焦和视频辅助
· 真空吸尘器、服务机器人和玩具,用于沿墙壁移动、悬崖探测和防撞
· 无人机的悬停/降落辅助
· 家用电器:环境guang感测、手势识别(用于ZHAO明管理)和自动门控
· 独特、节能的存在检测模式,可为PC、笔记本电脑和IoT设备提供创新的自动休眠/接近唤醒功能。
· 更多应用包括厕所、水龙头或肥皂分发器中的洗手间自动化功能,以及为自动贩卖机或智能货架系统中的库存管理提供辅助的包装计数功能。
FlightSense™接近和测距传感器具有完整的文档包,例如源代码和软件API(应用编程接口),它与一系列微控制器和处理器兼容。X-NUCLEO扩展板、分线板和相关的开发生态系统使得应用软件开发和向客户设备物理集成变得非常容易。


  TOF传感器 VL53L5

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