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揭秘八款创新硬件的传感器作用 光谱传感器3D…

发布日期:2021-04-06 03:02

  苹果手机首次引入3D传感技术用于人脸识别之后,各大手机品牌纷纷表示将增加3D传感模块。打破技术壁垒,ams已经能提供全面的3D 传感解决方案,包括 VCSEL和WLO在内的核心组件产品线,同时ams也具备从WLO介入VCSEL和CIS芯片(集成Filter)的能力。除了用于人脸识别、ams先进的3D传感蓝图还将扩展至身份验证和高精度的深度感知应用、汽车3D传感摄像头系统市场。

  iPhone X 的 3D 摄像头采用的是红外 3D 结构光方案,包含「红外光源+光学组件+红外传感器」等部分,其中最关键的部分就是红外光源。早期 3D 传感系统一般都使用 LED 作为红外光源,但是随着 VCSEL 芯片技术的成熟,在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优,因而现在常见的 3D 摄像头系统一般都采用 VCSEL 作为红外光源。

  要谈3D视觉应用方案,就必须先弄清楚光学测量分类以及其原理。光学测量分为主动测距法和被动测距法。

  主动测距方法的基本思想是利用特定的、人为控制光源和声源对物体目标进行照射,根据物体表面的反射特性及光学、声学特性来获取目标的三维信息。其特点是具有较高的测距精度、抗干扰能力和实时性,具有代表性的主动测距方法有结构光法、飞行时间法、和三角测距法。

  根据投影光束形态的不同,结构光法又可分为光点式结构光法、光条式结构光法和光面式结构光法等。

  目前应用中较广,且在深度测量中具有明显优势的方法是面结构光测量法。面结构光测量将各种模式的面结构投影到被测物体上,例如将分布较密集的均匀光栅投影到被测物体上面,由于被测物体表面凹凸不平,具有不同的深度,所以表面反射回来的光栅条纹会随着表面不同的深度发生畸变,这个过程可以看作是由物体表面的深度信息对光栅的条纹进行调制。所以被测物体的表面信息也就被调制在反射回来的光栅之中。通过被测物体反射回来的光栅与参考光栅之间的几何关系,分析得到每一个被测点之间的高度差和深度信息。

  结构光的优点是计算简单,测量精度较高,对于平坦的、无明显纹理和形状变化的表面区域都可进行精密的测量。其缺点是对设备和外界光线要求高,造价昂贵。目前,结构光法主要应用在条件良好的室内。

  飞行时间(Time of Flight,简称ToF)法,又叫做激光雷达(LiDAR)测距法。它将脉冲激光信号投射到物体表面,反射信号沿几乎相同路径反向传至接收器,利用发射和接收脉冲激光信号的时间差可实现被测量表面每个像素的距离测量。

  ToF直接利用光传播特性,不需要进行灰度图像的获取与分析,因此距离的获取不受物体表面性质的影响,可快速准确地获取景物表面完整的三维信息。缺点则是需要较复杂的光电设备,价格偏贵。

  三角测距法又称主动三角法,是基于光学三角原理,根据光源、物体和检测器三者之间的几何成像关系来确定空间物体各点的三维坐标。在实际测量过程中,它常用激光作为光源,用CCD相机作为检测器。这种方式主要用于工业勘探、工件表面粗糙度检测、轮胎检测、飞机检测等工业、航空、军事领域,在消费电子类产品还不曾涉及。

  被动测距技术不需要人为地设置辐射源,只利用场景在自然光照下的二维图像来重建景物的三维信息,具有适应性强、实现手段灵活、造价低的优点。但是这种方法是用低维信号来计算高维信号的,所以其使用的算法复杂。被动测距按照使用的视觉传感器数量可分为单目视觉、双目立体视觉和多目视觉三大类。

  单目视觉是指仅利用一台照相机拍摄一张相片来进行测量。因仅需要一台相机,所以该方法的优点是结构简单、相机标定容易,同时还避免了立体视觉的小视场问题和匹配困难问题。

  单目视觉方法又可分聚焦法和离焦法两类。聚焦法是指首先使相机相对于被测点处于聚焦位置,然后根据透镜成像公式求得被测点相对于相机的距离。相机偏离聚焦位置会带来测量误差,因此寻求精确的聚焦位置是关键所在。而离焦法不要求相机相对于被测点处于聚焦位置,而是根据标定出的离焦模型计算被测点相对于相机的距离,这样就避免了由于寻求精确的聚焦位置而降低测量效率的问题,但离焦模型的准确标定是该方法的主要难点。

  双目立体视觉的基本原理是从两个视点观察同一景物,以获取在不同视角下的感知图像,然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(视差)来获取景物的三维信息。这一过程与人类视觉感知过程是类似的。

  在双目立体视觉系统的硬件结构中,通常采用两个摄像机作为视觉信号的采集设备,通过双输入通道图像采集卡与计算机连接,把摄像机采集到的模拟信号经过采样、滤波、强化、模数转换,最终向计算机提供图像数据。一个完整的双目立体视觉系统通常可分为数字图像采集、相机标定、图像预处理与特征提取、图像校正、立体匹配、三维重建六大部分。

  多目立体视觉系统是对双目视觉系统的一种拓展。所谓多目立体视觉系统,就是采用多个摄像机设置于多个视点,或者由一个摄像机从多个视点观测三维景物的视觉系统。

  对多目系统所采集到的景物图像进行感知、识别和理解的技术被称为多目立体视觉系统技术。在双目立体视觉中,对于给定的物体距离,视差与基线长度成正比,基线越长,对距离的计算越精确。但是当基线过长时,需要在相对较大的视觉范围内进行搜索,从而增加计算量。利用多基线立体匹配是消除误匹配、提高视差测量准确性的有效方法之。基线数目的增加可以通过增加相机来实现。

  ams拥有全面的光谱传感器类型:精确的XYZ三刺激颜色传感器AS7261、多通道光谱传感器芯片AS7262 和AS7263、能精确测量具有重大生物学意义蓝光的AS7264N、全频谱18通道可见光和近红外解决方案AS7265x。应用领域包括食物分析、个人健康、颜色匹配、肤色分析这不就是光谱传感器应用启示录嘛~

  高性能传感器解决方案和模拟IC供应商艾迈斯半导体公司AMS推出“全球首款经济型多光谱传感器芯片系列解决方案”,为新一代消费及工业应用的光谱分析仪开辟了新的发展道路。

  低功耗的可见光谱传感器AS7262和近红外光谱传感器AS7263尺寸大小约为4.5 x 4.4mm,均提供六个校准光谱通道。据开发人员介绍,多光谱传感器能够为广泛的消费和实际领域应用提供新的检测和使用途径,例如材料和产品鉴定、产品质量与完整性评估以及近红外和可见光波段的材料分析。

  AMS公司美国新兴传感器系统的市场总监Jean Francois表示:“通过常见的方式将传感器集成到手机或者平板电脑中已经成为移动设备的发展潮流之一,AS7262和AS7263两款型号传感器的推出打开了芯片级光谱分析的大门,预示着光谱传感技术革新时代的到来。”

  “我们的传感器可大幅降低光谱分析设备的体积和尺寸,从而将实验室技术转化为令人难以置信的各种新型应用,包括食品安全、产品认证以及常规测试等诸多领域。”

  AMS公司的多光谱传感器采用最新制造技术,可以将纳米光学干涉滤光片直接沉积在CMOS硅芯片上。这种干涉滤光片技术可以大幅度提高传感器的精确度和可复现的滤光特性,具有很好的时间和温度稳定性,而且成本比现今市场上常见的光谱分析仪组件更为低廉。

  集成智能功能的六通道可见光传感器AS7262通过I2C或者UART接口实现标准的数字信号输出。可以实现可见光波段六个波长的光强度测量:450nm、500nm、550nm、570nm、600nm及650nm。AS7263传感器工作在近红外波段,可以检测610nm、680nm、足球直播,730nm、760nm、810nm和860nm处的红外光谱特征。这两款芯片都配备了LED驱动电路的电子快门,因此开发者利用单个芯片便可以实现光源强度的精确控制和光谱感测功能。

  目前照明产业大力正在大力推动智能照明在各方面的应用,感觉“智能照明”离居家标配不远了。厂商要想在智能照明的竞争中脱颖而出,具有数字化附加值的传感器是关键,精准可靠的光谱传感器,是智能照明系统中不可或缺的组件。以ams推出的AS7225为例,AS7225可以灵活地集成进照明设备、光引擎和更广泛的现有灯具替换品,为灯具内部自带的暖色和冷色白光LED灯串提供精准的CCT调节管理。

  主动降噪功能可让您听到一切想听的声音,屏蔽其他不想听到的声音,为了不让噪音影响听觉体验,各大高端耳机厂商纷纷引入ANC技术。ams可以提供业界一流的高性能ANC解决方案,最小的PCB占位面积,极低功耗,其内部集成信号旁路去除外部开关,主动降噪的功耗相比同类解决方案降低50%,这是怎样的高性能啊!

  ANC技术的原理并不深奥,高中物理就教过,就是波的干涉。如果大家对高考复习还记忆犹新的话,一定还记得如果两列波幅度相同,相位相反,则它们干涉的结果是互相抵消,看不到波了!

  讲完了高中物理,我们再讲讲初中物理:初中物理里面提到,声音也是一种波,可以在各种介质中传播。换句话说,声波也能干涉,如果我们利用好这一特性,就可以把一些不想听到的声波用干涉抵消掉(或者至少减小幅度)。利用这一点,我们就可以使用抵消的办法来消除噪声。

  常见的有源噪声消除耳机如下图所示,麦克风采样外部噪声,改采样到的噪声经过有源噪声抵消电路处理后,产生一个和采样到的噪声相位相反,且幅度合适的“反”噪声,并送入耳机的扬声器,于是噪声在人的耳朵前就被抵消了,带耳机的人只能听到音乐,而听不到噪声。

  如果把系统画成信号流图,就是下图,噪声在麦克风采样后进入信号处理电路,产生“反”噪声,并与音乐一起送进耳机内。这种模式称为前馈有源噪声消除。

  然而,前馈噪声消除有一个问题。大家一定试过对着麦克风吹气吧!对着麦克风吹气可以在麦克风输出的地方产生很大的声音,但是这个吹气的声音你把麦克风拿走是听不到的。同样的,在前馈有源噪声消除中,如果在采样麦克风附近有风在吹,那么麦克风有可能会产生很大的反噪声,但其实这个吹风的声音人是听不到的!换句话说,如果麦克风处有风在吹(风噪),麦克风会认为环境噪声很大,但是人其实听不到任何噪声,这样麦克风的误报反而会产生更大的噪声!

  在反馈有源噪声消除方案中,麦克风采样的不是直接的环境噪声,而是耳机输出处的声音,显然这里的声音包括了音乐和环境噪声。那么如何选择性地抵消掉噪声但是保留音乐呢?就需要把这里采样到的声音减去音乐,这样剩下的信号就全是噪声了;然后再根据这个噪声去产生噪声抵消信号。这样做的话,就不会有风噪问题。然而,这里又有一个新问题,就是反馈系统通常带宽会远小于前馈系统,因此使用反馈模式的有源噪声消除对于高频噪声的抵消作用有限。

  既然两种方案各有利弊,那么把它们结合起来如何?这就是混合模式的有源噪声消除,既使用前馈又使用反馈,系统设计得当的话可以扬长避短,即避免风噪又能抵消高频噪声。

  环境传感器是ams四大核心传感器之一,拥有全面的传感器产品线,包括混合氧化物气体传感,红外线气体/占位监测,相对湿度传感器,压力传感器,温度传感器,凭借高精度高集成度的特点,家居/建筑自动化、工业物联网和汽车、医疗这些新兴应用市场都不在线,能够提供精确、预校准的环境温度和相对湿度测量。这款传感器提供温度测量数字输出,据称其温度测量在0~70C范围内,精度可达0.2C,其相对湿度数字输出精度为3.5%。

  传感器产业已经由模拟时代朝数字系统发展,这使得传感器的尺寸更小,功耗更低。此前,这类传感器主要面向工业应用,但是现在,它们可以应用于消费类产品。

  ENS210单芯片包含控制逻辑电路和敏感元件。该传感器采用独特的封装技术,传感器芯片由塑料腔体封装,外观尺寸为2 x 2 x 0.75mm。其微型尺寸足以设计应用于智能手机和可穿戴设备,如健康监测产品等。针对可穿戴产品的应用,de Majo称,这款传感器可以使湿度因素纳入整个健康评估体系中。

  同时,这款传感器还能够与ams公司的CCS811或CCS801气体传感器匹配使用,提供一种室内空气质量监测解决方案。基于ams公司近期收购的Cambridge CMOS Sensors公司开发的微型热板技术,气体传感器系统级芯片CCS811能够探测室内环境中的挥发性有机物(VOC)。它具有能够运行ams算法的嵌入式微控制器,可将传感器读出的原始数据转换成等值总VOC和等值CO2测量数据。而ENS210测得的相对湿度和环境温度数据,则能使系统通过针对环境变化的补偿,校正CCS811传感器的数字输出。

  汽车的磁位置传感器承担着实现精确位置测量数据的快速、安全传输的作用,保证发动机运动部件在正确的位置做正确动作和正确的状态控制起着重要的作用。ams先进的磁位置传感器可减少系统损耗并符合最严格的汽车标准(自我诊断、冗余、抗杂散磁场),为汽车上各类严苛应用(电子助力转向、电子泵、启动电机以及各类位置检测应用等)提供最理想的解决方案。

  与ams 47系列的其他产品相同,新的AS5047P具有DAEC(动态角度误差补偿)技术,即使在很高的转速下也能精确测量角度。47系列磁性传感器的高转速性能和ABI增量输出使其能够完美取代光学编码器。基于47系列开发的设计,系统总成本通常远低于同等效果的光学编码器或旋转变压器。

  AS5047P传感器的额定测量速度最大值由14,500rpm提升至28,000rpm,可应用于以往需要使用光学编码器的高转速转轴应用中。

  ams还增加了该器件增量ABI输出的运行步数。47系列产品的ABI输出与标准光学编码器的输出相同,因此电机控制系统设计者无需改变控制软件或接口,就能使用ams磁性位置传感器取代一个光学编码器。AS5047P ABI输出十进制模式下,每转的最高分辨率可高达4,000步/1,000脉冲,二进制模式下ABI输出最高分辨率则可达每转4,096 步/1,024 脉冲。这意味磁性位置传感器将可在更多应用中取代光学编码器。

  另外,AS5047P的标准4线SPI串行接口能让主微控制器读取AS5047P内的14位绝对角度位置数据,无需专门的编程器也能对非易失性设置进行编程。该器件还能同时提供标准UVW换向接口用于无刷直流电机,无需单独的霍尔传感器开关,提供单IC以支持电机定位与控制应用。而PWM编码输出信号则可以提供绝对角度位置信息。

  正如ams的其他磁性位置传感器一样,AS5047P对杂散磁场有极高的免疫力,也不会受到污垢、灰尘、油脂、湿气及其他污染物的影响,而这些因素通常都会减弱光学编码器的性能。

  AS5047P具有的DAEC技术能够补偿由于传感器处理磁场强度原始测量数据发生传播延迟而导致的动态角度误差。DAEC技术使得系统设计者无需在外部DSP或微控制器上使用单独的误差补偿电路。该技术同时使AS5047P实现极高的精确度,在28,000rpm的持续转速下,其最大误差仅为 0.34(不含非线性积分)。

  随着RFID、NFC等各种连接方式的兴起,给无线传感器的发展提供了一个十分重要的机会。无线传感器的一个应用较多的领域是药品/食品冷链追踪,例如,ams的NFC传感器标签和数据记录仪集成电路AS39513,可应用于智能标签中,实现对食品、药品和医疗保健品储存和运输过程中的状况高效和准确的监控。

  ams的这款像素逆天的CMOS图像传感器CMV50000,是采用专利的8晶体管像素结构制作而成的中片幅48M像素传感器,像素大小为4.6m,分辨率为7920 x 6002。高像素高分辨率是它主要的特色,此外,在全分辨率模式下光学动态范围最高可达64dB,在二次抽样为4K模式下光学动态范围可达68dB。

  NanEye 2D尺寸大小为1mm×1mm×1.5mm,体积不及一枚火柴头。NanEye 2D提供真正的系统芯片摄像头,具有完全自定时读出排序 ,通过LVDS的 AD转换为10位和位串行数据传输 。凭借小尺寸高性能的优势,这款产品可用于检查胆管和胰腺的泌尿内窥镜。