图 | MEMS
编者按：本文来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询，原文题目《业界最小的ToF传感器能给智能家电加持哪些Buff?》，找邦企头条经授权发布，略有删减。
智能家居的发展已经势不可挡，而智能家电在智能家居中的占比最高。智能家电是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品，具有自动感知家电自身状态、家电服务状态，能够自动控制及接收用户在住宅内或远程的控制指令。例如，我们可以通过智能手机、智能音箱指挥扫地机器人、电视机等家电工作。
家电的智能化要根据周围环境自动做出适当响应，不需要人为干预。这种对周围环境的自动感知，必然少不了传感器的参与。近两年推出的1D飞行时间（ToF）传感器慢慢地得到了各大智能家居厂商的认可和广泛应用。
几种测距方案的比较以及应用
市面上常用的测距方案主要有红外对管、接近传感器、1D飞行时间传感器和三角测距传感器，其原理以及优缺点如下：
表1：红外测距方案的比较
红外对管和红外接近传感器两种测距方案比较适用于自动翻盖和自动掀马桶圈的卫浴、自动水龙头等智能家居应用场景，因为这种场景对精度要求不高；但是高品质的卫浴和自动水龙头也在向1D飞行时间传感器的方案切换。
1D飞行时间传感器更多应用在扫地机器人的障碍物识别和楼梯检测，智能电视的人体靠近检测，智能灯的靠近点亮，投影仪的人眼保护以及自动对焦功能，3D智能门锁等应用场景。
接下来具体介绍1D直接飞行时间传感器原理及以智能电视为例的应用。
1D直接飞行时间传感器工作原理和优势
以艾迈斯半导体新推出的可以检测2cm~2.5m距离的TMF8801为例，其内部结构如下：
图1：TMF8801内部结构图
IR激光发射器（使用的是VCSEL）经过光学部件打出光子，同时给时间数字转换器（TDC）发出一个开始的信号，光子遇到障碍物会反射回来，被TMF8801的接收端单光子雪崩二极管（SPAD）所接收，并导致SPAD发生雪崩，从而给TDC一个停止的信号，TDC通过计算开始和停止信号之间的时间，从而知道光子往返的飞行时间，光速已知，即可算出物体距传感器的距离，是真正的飞行时间测量。
图2：距离计算原理
TMF8801飞行时间传感器的优势
#1 直方图输出
TMF8801可以直接输出直方图数据，直方图是数据分布的精确图形表示，通过连续采集遇到物体反射回来红外光的信号进行处理，反映TDC数据的分布情况，便于距离算法的精确计算。
图3：玻璃盖板和物体反射回来的数据直方图
#2 抗油污和环境光的干扰
TMF8801无需要做污迹校准，具有抗污迹特性。因为第一个回来的反射信号永远都是玻璃盖板的返回值，而污迹和玻璃盖板成为一整体，作为第一个反射信号。只不过有污迹后，第一个反射回来的信号会很强，相对比第二个反射回来被测物体的信号峰值较弱，TMF8801内置算法测的是两次返回的信号峰值的时间差，所以污迹不会干扰TMF8801工作。
图4：数据输出演示图
此外，发射的红外光源波长在940nm，940nm的红外光在环境光中的成分较少，干扰相对会小些。
#3 近距和远距分段测量
TMF8801内置有算法可以根据测量的结果，可自动切换近距和远距离模式，使近距和远距的距离计算更加的精确。
#4 自动校准
校准分为两种，一种是时间校准，TMF8801主要使靠红外激光打出去和反射回来的时间来计算距离，所以对内置时钟精度要求很高，为了避免时钟偏差，TMF8801会自动以系统时钟为标定，实时的校准。另一种是产线一次性光学校准，无需人工参与，只需保证在暗光或是无光环境下，且40cm内无遮挡，即可软件触发校准。
另外，TMF8801受照明角度的限制，可以放多颗1D飞行时间传感器，扩大检测的角度。
图5：TMF8801芯片的接收角度和照明角度
1D飞行时间传感器在电视机上的应用
2019年8月，华为发布了荣耀电视“智慧屏”，将智能电视推向了一个新的高度：酷炫的语音交互，手机与大屏间魔法互动，联控智能家居，升降摄像头拍照等，如果搭载1D飞行时间传感器可实现更多应用场景。
众所周知，看电视的距离关系着眼部健康：离电视越近，眼内的直肌收缩力也愈强，也就愈容易造成视疲劳，尤其是小孩子因自控力不足，不自觉就会靠近电视。如果电视装有人体接近的方案，一旦检测到人体进入一定范围，就自动调暗或关闭显示器背光并发出警告，提醒用户远离电视、保护视力。
在智能电视机上搭载多颗1D飞行时间传感器可以多角度检测不断靠近的活动物体的距离，从而做出相应的反应。
图6：多颗1D飞行时间传感器在电视上应用效果图
除了人体接近检测外，1D飞行时间传感器还可以搭配智能电视的摄像头实现自动对焦功能。目前主流的相机对焦方案有两种，一种是基于CCD半导体成像器件的聚焦方案，其利用物体光反射的原理，物体反射回来的光被相机上的传感器CCD接收，通过计算机处理，带动电动对焦装置进行对焦。随着相机的像素越来越高，对焦时间会越来越久。另一种是测距的对焦方案，使用1D飞行时间传感器，可以直接给出对焦距离，提高了对焦速度，相对于其他对焦方案速度更快，成本更低。
总结
智能家居的发展扩大了传感器的应用市场，而1D飞行时间测距传感器作为传感器家族的一员，有着更广泛的应用场景，可以应用于许多日常的家电中，进一步升级智能家居产业，助力家电的智能化。
