1、3D傳感,開啟人臉識別市場新天地

蘋果手機(jī)首次引入3D傳感技術(shù)用于人臉識別之后,各大手機(jī)品牌紛紛表示將增加3D傳感模塊。打破技術(shù)壁壘,ams已經(jīng)能提供全面的3D 傳感解決方案,包括 VCSEL和WLO在內(nèi)的核心組件產(chǎn)品線,同時ams也具備從WLO介入VCSEL和CIS芯片(集成Filter)的能力。除了用于人臉識別、ams先進(jìn)的3D傳感藍(lán)圖還將擴(kuò)展至身份驗證和高精度的深度感知應(yīng)用、汽車3D傳感攝像頭系統(tǒng)市場。

iPhone X 的 3D 攝像頭采用的是紅外 3D 結(jié)構(gòu)光方案,包含「紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器」等部分,其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源。早期 3D 傳感系統(tǒng)一般都使用 LED 作為紅外光源,但是隨著 VCSEL 芯片技術(shù)的成熟,在精確度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占優(yōu),因而現(xiàn)在常見的 3D 攝像頭系統(tǒng)一般都采用 VCSEL 作為紅外光源。

3D視覺測量原理

要談3D視覺應(yīng)用方案,就必須先弄清楚光學(xué)測量分類以及其原理。光學(xué)測量分為主動測距法和被動測距法。

主動測距方法的基本思想是利用特定的、人為控制光源和聲源對物體目標(biāo)進(jìn)行照射,根據(jù)物體表面的反射特性及光學(xué)、聲學(xué)特性來獲取目標(biāo)的三維信息。其特點(diǎn)是具有較高的測距精度、抗干擾能力和實時性,具有代表性的主動測距方法有結(jié)構(gòu)光法、飛行時間法、和三角測距法。

1. 主動測距法

(1)結(jié)構(gòu)光法

根據(jù)投影光束形態(tài)的不同,結(jié)構(gòu)光法又可分為光點(diǎn)式結(jié)構(gòu)光法、光條式結(jié)構(gòu)光法和光面式結(jié)構(gòu)光法等。

目前應(yīng)用中較廣,且在深度測量中具有明顯優(yōu)勢的方法是面結(jié)構(gòu)光測量法。面結(jié)構(gòu)光測量將各種模式的面結(jié)構(gòu)投影到被測物體上,例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面,由于被測物體表面凹凸不平,具有不同的深度,所以表面反射回來的光柵條紋會隨著表面不同的深度發(fā)生畸變,這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進(jìn)行調(diào)制。

所以被測物體的表面信息也就被調(diào)制在反射回來的光柵之中。通過被測物體反射回來的光柵與參考光柵之間的幾何關(guān)系,分析得到每一個被測點(diǎn)之間的高度差和深度信息。

結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)是計算簡單,測量精度較高,對于平坦的、無明顯紋理和形狀變化的表面區(qū)域都可進(jìn)行精密的測量。其缺點(diǎn)是對設(shè)備和外界光線要求高,造價昂貴。目前,結(jié)構(gòu)光法主要應(yīng)用在條件良好的室內(nèi)。

(2)飛行時間法(ToF)

飛行時間(Time of Flight,簡稱ToF)法,又叫做激光雷達(dá)(LiDAR)測距法。它將脈沖激光信號投射到物體表面,反射信號沿幾乎相同路徑反向傳至接收器,利用發(fā)射和接收脈沖激光信號的時間差可實現(xiàn)被測量表面每個像素的距離測量。

ToF直接利用光傳播特性,不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取與分析,因此距離的獲取不受物體表面性質(zhì)的影響,可快速準(zhǔn)確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點(diǎn)則是需要較復(fù)雜的光電設(shè)備,價格偏貴。

(3)三角測距法

三角測距法又稱主動三角法,是基于光學(xué)三角原理,根據(jù)光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關(guān)系來確定空間物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在實際測量過程中,它常用激光作為光源,用CCD相機(jī)作為檢測器。這種方式主要用于工業(yè)勘探、工件表面粗糙度檢測、輪胎檢測、飛機(jī)檢測等工業(yè)、航空、軍事領(lǐng)域,在消費(fèi)電子類產(chǎn)品還不曾涉及。

基于激光三角法測量系統(tǒng)簡圖

2. 被動測距法

被動測距技術(shù)不需要人為地設(shè)置輻射源,只利用場景在自然光照下的二維圖像來重建景物的三維信息,具有適應(yīng)性強(qiáng)、實現(xiàn)手段靈活、造價低的優(yōu)點(diǎn)。但是這種方法是用低維信號來計算高維信號的,所以其使用的算法復(fù)雜。被動測距按照使用的視覺傳感器數(shù)量可分為單目視覺、雙目立體視覺和多目視覺三大類。

(1)單目視覺

單目視覺是指僅利用一臺照相機(jī)拍攝一張相片來進(jìn)行測量。因僅需要一臺相機(jī),所以該方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、相機(jī)標(biāo)定容易,同時還避免了立體視覺的小視場問題和匹配困難問題。

單目視覺測量示意圖

單目視覺方法又可分聚焦法和離焦法兩類。聚焦法是指首先使相機(jī)相對于被測點(diǎn)處于聚焦位置,然后根據(jù)透鏡成像公式求得被測點(diǎn)相對于相機(jī)的距離。相機(jī)偏離聚焦位置會帶來測量誤差,因此尋求精確的聚焦位置是關(guān)鍵所在。而離焦法不要求相機(jī)相對于被測點(diǎn)處于聚焦位置,而是根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計算被測點(diǎn)相對于相機(jī)的距離,這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測量效率的問題,但離焦模型的準(zhǔn)確標(biāo)定是該方法的主要難點(diǎn)。

(2)雙目立體視覺

雙目立體視覺的基本原理是從兩個視點(diǎn)觀察同一景物,以獲取在不同視角下的感知圖像,然后通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差(視差)來獲取景物的三維信息。這一過程與人類視覺感知過程是類似的。

雙目立體視覺測量示意圖

在雙目立體視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中,通常采用兩個攝像機(jī)作為視覺信號的采集設(shè)備,通過雙輸入通道圖像采集卡與計算機(jī)連接,把攝像機(jī)采集到的模擬信號經(jīng)過采樣、濾波、強(qiáng)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終向計算機(jī)提供圖像數(shù)據(jù)。一個完整的雙目立體視覺系統(tǒng)通常可分為數(shù)字圖像采集、相機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理與特征提取、圖像校正、立體匹配、三維重建六大部分。

(3)多目立體視覺

多目立體視覺系統(tǒng)是對雙目視覺系統(tǒng)的一種拓展。所謂多目立體視覺系統(tǒng),就是采用多個攝像機(jī)設(shè)置于多個視點(diǎn),或者由一個攝像機(jī)從多個視點(diǎn)觀測三維景物的視覺系統(tǒng)。

多目視覺測量示意圖

對多目系統(tǒng)所采集到的景物圖像進(jìn)行感知、識別和理解的技術(shù)被稱為多目立體視覺系統(tǒng)技術(shù)。在雙目立體視覺中,對于給定的物體距離,視差與基線長度成正比,基線越長,對距離的計算越精確。但是當(dāng)基線過長時,需要在相對較大的視覺范圍內(nèi)進(jìn)行搜索,從而增加計算量。利用多基線立體匹配是消除誤匹配、提高視差測量準(zhǔn)確性的有效方法之?；€數(shù)目的增加可以通過增加相機(jī)來實現(xiàn)。

2、光譜傳感器,看透電商和消費(fèi)應(yīng)用趨勢

ams擁有全面的光譜傳感器類型:精確的XYZ三刺激顏色傳感器AS7261、多通道光譜傳感器芯片AS7262 和AS7263、能精確測量具有重大生物學(xué)意義藍(lán)光的AS7264N、全頻譜18通道可見光和近紅外解決方案AS7265x。應(yīng)用領(lǐng)域包括食物分析、個人健康、顏色匹配、膚色分析......這不就是光譜傳感器應(yīng)用啟示錄嘛~

高性能傳感器解決方案和模擬IC供應(yīng)商艾邁斯半導(dǎo)體公司AMS推出“全球首款經(jīng)濟(jì)型多光譜傳感器芯片系列解決方案”,為新一代消費(fèi)及工業(yè)應(yīng)用的光譜分析儀開辟了新的發(fā)展道路。

可見光和近紅外光數(shù)字多光譜傳感器芯片

低功耗的可見光譜傳感器AS7262和近紅外光譜傳感器AS7263尺寸大小約為4.5 x 4.4mm,均提供六個校準(zhǔn)光譜通道。據(jù)開發(fā)人員介紹,多光譜傳感器能夠為廣泛的消費(fèi)和實際領(lǐng)域應(yīng)用提供新的檢測和使用途徑,例如材料和產(chǎn)品鑒定、產(chǎn)品質(zhì)量與完整性評估以及近紅外和可見光波段的材料分析。

AMS公司美國新興傳感器系統(tǒng)的市場總監(jiān)Jean Francois表示:“通過常見的方式將傳感器集成到手機(jī)或者平板電腦中已經(jīng)成為移動設(shè)備的發(fā)展潮流之一,AS7262和AS7263兩款型號傳感器的推出打開了芯片級光譜分析的大門,預(yù)示著光譜傳感技術(shù)革新時代的到來?！?

“我們的傳感器可大幅降低光譜分析設(shè)備的體積和尺寸,從而將實驗室技術(shù)轉(zhuǎn)化為令人難以置信的各種新型應(yīng)用,包括食品安全、產(chǎn)品認(rèn)證以及常規(guī)測試等諸多領(lǐng)域?！?

直接沉積技術(shù)

AMS公司的多光譜傳感器采用最新制造技術(shù),可以將納米光學(xué)干涉濾光片直接沉積在CMOS硅芯片上。這種干涉濾光片技術(shù)可以大幅度提高傳感器的精確度和可復(fù)現(xiàn)的濾光特性,具有很好的時間和溫度穩(wěn)定性,而且成本比現(xiàn)今市場上常見的光譜分析儀組件更為低廉。

在CMOS硅基芯片上直接沉積納米光學(xué)干涉濾光片

集成智能功能的六通道可見光傳感器AS7262通過I2C或者UART接口實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出?？梢詫崿F(xiàn)可見光波段六個波長的光強(qiáng)度測量:450nm、500nm、550nm、570nm、600nm及650nm。AS7263傳感器工作在近紅外波段,可以檢測610nm、680nm、730nm、760nm、810nm和860nm處的紅外光譜特征。這兩款芯片都配備了LED驅(qū)動電路的電子快門,因此開發(fā)者利用單個芯片便可以實現(xiàn)光源強(qiáng)度的精確控制和光譜感測功能。

3、智能照明,光譜傳感器很重要

目前照明產(chǎn)業(yè)大力正在大力推動智能照明在各方面的應(yīng)用,感覺“智能照明”離居家標(biāo)配不遠(yuǎn)了。廠商要想在智能照明的競爭中脫穎而出,具有數(shù)字化附加值的傳感器是關(guān)鍵,精準(zhǔn)可靠的光譜傳感器,是智能照明系統(tǒng)中不可或缺的組件。以ams推出的AS7225為例,AS7225可以靈活地集成進(jìn)照明設(shè)備、光引擎和更廣泛的現(xiàn)有燈具替換品,為燈具內(nèi)部自帶的暖色和冷色白光LED燈串提供精準(zhǔn)的CCT調(diào)節(jié)管理。

4、ANC技術(shù),掀起一場耳機(jī)革命

主動降噪功能可讓您聽到一切想聽的聲音,屏蔽其他不想聽到的聲音,為了不讓噪音影響聽覺體驗,各大高端耳機(jī)廠商紛紛引入ANC技術(shù)。ams可以提供業(yè)界一流的高性能ANC解決方案,最小的PCB占位面積,極低功耗,其內(nèi)部集成信號旁路去除外部開關(guān),主動降噪的功耗相比同類解決方案降低50%,這是怎樣的高性能啊!

ANC技術(shù)的原理并不深奧,高中物理就教過,就是波的干涉。如果大家對高考復(fù)習(xí)還記憶猶新的話,一定還記得如果兩列波幅度相同,相位相反,則它們干涉的結(jié)果是互相抵消,看不到波了!

講完了高中物理,我們再講講初中物理:初中物理里面提到,聲音也是一種波,可以在各種介質(zhì)中傳播。換句話說,聲波也能干涉,如果我們利用好這一特性,就可以把一些不想聽到的聲波用干涉抵消掉(或者至少減小幅度)。利用這一點(diǎn),我們就可以使用抵消的辦法來消除噪聲。

常見的有源噪聲消除耳機(jī)如下圖所示,麥克風(fēng)采樣外部噪聲,改采樣到的噪聲經(jīng)過有源噪聲抵消電路處理后,產(chǎn)生一個和采樣到的噪聲相位相反,且幅度合適的“反”噪聲,并送入耳機(jī)的揚(yáng)聲器,于是噪聲在人的耳朵前就被抵消了,帶耳機(jī)的人只能聽到音樂,而聽不到噪聲。

如果把系統(tǒng)畫成信號流圖,就是下圖,噪聲在麥克風(fēng)采樣后進(jìn)入信號處理電路,產(chǎn)生“反”噪聲,并與音樂一起送進(jìn)耳機(jī)內(nèi)。這種模式稱為前饋有源噪聲消除。

然而,前饋噪聲消除有一個問題。大家一定試過對著麥克風(fēng)吹氣吧!對著麥克風(fēng)吹氣可以在麥克風(fēng)輸出的地方產(chǎn)生很大的聲音,但是這個吹氣的聲音你把麥克風(fēng)拿走是聽不到的。

同樣的,在前饋有源噪聲消除中,如果在采樣麥克風(fēng)附近有風(fēng)在吹,那么麥克風(fēng)有可能會產(chǎn)生很大的反噪聲,但其實這個吹風(fēng)的聲音人是聽不到的!換句話說,如果麥克風(fēng)處有風(fēng)在吹(風(fēng)噪),麥克風(fēng)會認(rèn)為環(huán)境噪聲很大,但是人其實聽不到任何噪聲,這樣麥克風(fēng)的誤報反而會產(chǎn)生更大的噪聲!

為了解決這個問題,可以使用反饋有源噪聲消除,如下圖所示。

在反饋有源噪聲消除方案中,麥克風(fēng)采樣的不是直接的環(huán)境噪聲,而是耳機(jī)輸出處的聲音,顯然這里的聲音包括了音樂和環(huán)境噪聲。那么如何選擇性地抵消掉噪聲但是保留音樂呢?

就需要把這里采樣到的聲音減去音樂,這樣剩下的信號就全是噪聲了;然后再根據(jù)這個噪聲去產(chǎn)生噪聲抵消信號。這樣做的話,就不會有風(fēng)噪問題。然而,這里又有一個新問題,就是反饋系統(tǒng)通常帶寬會遠(yuǎn)小于前饋系統(tǒng),因此使用反饋模式的有源噪聲消除對于高頻噪聲的抵消作用有限。

既然兩種方案各有利弊,那么把它們結(jié)合起來如何?這就是混合模式的有源噪聲消除,既使用前饋又使用反饋,系統(tǒng)設(shè)計得當(dāng)?shù)脑捒梢該P(yáng)長避短,即避免風(fēng)噪又能抵消高頻噪聲。

5、環(huán)境傳感方案,評價環(huán)境質(zhì)量“真全準(zhǔn)”

環(huán)境傳感器是ams四大核心傳感器之一,擁有全面的傳感器產(chǎn)品線,包括混合氧化物氣體傳感,紅外線氣體/占位監(jiān)測,相對濕度傳感器,壓力傳感器,溫度傳感器,憑借高精度高集成度的特點(diǎn),家居/建筑自動化、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和汽車、醫(yī)療這些新興應(yīng)用市場都不在話下。

ENS210,能夠提供精確、預(yù)校準(zhǔn)的環(huán)境溫度和相對濕度測量。這款傳感器提供溫度測量數(shù)字輸出,據(jù)稱其溫度測量在0~70°C范圍內(nèi),精度可達(dá)±0.2°C,其相對濕度數(shù)字輸出精度為±3.5%。

ENS210單芯片傳感器Demo板

傳感器產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由模擬時代朝數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展,這使得傳感器的尺寸更小,功耗更低。此前,這類傳感器主要面向工業(yè)應(yīng)用,但是現(xiàn)在,它們可以應(yīng)用于消費(fèi)類產(chǎn)品。

ENS210單芯片包含控制邏輯電路和敏感元件。該傳感器采用獨(dú)特的封裝技術(shù),傳感器芯片由塑料腔體封裝,外觀尺寸為2 x 2 x 0.75mm。其微型尺寸足以設(shè)計應(yīng)用于智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備,如健康監(jiān)測產(chǎn)品等。針對可穿戴產(chǎn)品的應(yīng)用,de Majo稱,這款傳感器可以使?jié)穸纫蛩丶{入整個健康評估體系中。

同時,這款傳感器還能夠與ams公司的CCS811或CCS801氣體傳感器匹配使用,提供一種室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測解決方案。基于ams公司近期收購的Cambridge CMOS Sensors公司開發(fā)的微型熱板技術(shù),氣體傳感器系統(tǒng)級芯片CCS811能夠探測室內(nèi)環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)。它具有能夠運(yùn)行ams算法的嵌入式微控制器,可將傳感器讀出的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成等值總VOC和等值CO2測量數(shù)據(jù)。而ENS210測得的相對濕度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù),則能使系統(tǒng)通過針對環(huán)境變化的補(bǔ)償,校正CCS811傳感器的數(shù)字輸出。

6、汽車級位置傳感器,角度和線性測量的不二之選

汽車的磁位置傳感器承擔(dān)著實現(xiàn)精確位置測量數(shù)據(jù)的快速、安全傳輸?shù)淖饔?保證發(fā)動機(jī)運(yùn)動部件在正確的位置做正確動作和正確的狀態(tài)控制起著重要的作用。ams先進(jìn)的磁位置傳感器可減少系統(tǒng)損耗并符合最嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)(自我診斷、冗余、抗雜散磁場...),為汽車上各類嚴(yán)苛應(yīng)用(電子助力轉(zhuǎn)向、電子泵、啟動電機(jī)以及各類位置檢測應(yīng)用等)提供最理想的解決方案。

與ams 47系列的其他產(chǎn)品相同,新的AS5047P具有DAECTM(動態(tài)角度誤差補(bǔ)償)技術(shù),即使在很高的轉(zhuǎn)速下也能精確測量角度。47系列磁性傳感器的高轉(zhuǎn)速性能和ABI增量輸出使其能夠完美取代光學(xué)編碼器?；?7系列開發(fā)的設(shè)計,系統(tǒng)總成本通常遠(yuǎn)低于同等效果的光學(xué)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。

AS5047P傳感器的額定測量速度最大值由14,500rpm提升至28,000rpm,可應(yīng)用于以往需要使用光學(xué)編碼器的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)軸應(yīng)用中。

ams還增加了該器件增量ABI輸出的運(yùn)行步數(shù)。47系列產(chǎn)品的ABI輸出與標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)編碼器的輸出相同,因此電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計者無需改變控制軟件或接口,就能使用ams磁性位置傳感器取代一個光學(xué)編碼器。AS5047P ABI輸出十進(jìn)制模式下,每轉(zhuǎn)的最高分辨率可高達(dá)4,000步/1,000脈沖,二進(jìn)制模式下ABI輸出最高分辨率則可達(dá)每轉(zhuǎn)4,096 步/1,024 脈沖。這意味磁性位置傳感器將可在更多應(yīng)用中取代光學(xué)編碼器。

另外,AS5047P的標(biāo)準(zhǔn)4線SPI串行接口能讓主微控制器讀取AS5047P內(nèi)的14位絕對角度位置數(shù)據(jù),無需專門的編程器也能對非易失性設(shè)置進(jìn)行編程。該器件還能同時提供標(biāo)準(zhǔn)UVW換向接口用于無刷直流電機(jī),無需單獨(dú)的霍爾傳感器開關(guān),提供單IC以支持電機(jī)定位與控制應(yīng)用。而PWM編碼輸出信號則可以提供絕對角度位置信息。

正如ams的其他磁性位置傳感器一樣,AS5047P對雜散磁場有極高的免疫力,也不會受到污垢、灰塵、油脂、濕氣及其他污染物的影響,而這些因素通常都會減弱光學(xué)編碼器的性能。

AS5047P具有的DAEC技術(shù)能夠補(bǔ)償由于傳感器處理磁場強(qiáng)度原始測量數(shù)據(jù)發(fā)生傳播延遲而導(dǎo)致的動態(tài)角度誤差。DAEC技術(shù)使得系統(tǒng)設(shè)計者無需在外部DSP或微控制器上使用單獨(dú)的誤差補(bǔ)償電路。該技術(shù)同時使AS5047P實現(xiàn)極高的精確度,在28,000rpm的持續(xù)轉(zhuǎn)速下,其最大誤差僅為 0.34°(不含非線性積分)。

7、無線解決方案 - 讓冷鏈物流不“斷鏈”

隨著RFID、NFC等各種連接方式的興起,給無線傳感器的發(fā)展提供了一個十分重要的機(jī)會。無線傳感器的一個應(yīng)用較多的領(lǐng)域是藥品/食品冷鏈追蹤,例如,ams的NFC傳感器標(biāo)簽和數(shù)據(jù)記錄儀集成電路AS39513,可應(yīng)用于智能標(biāo)簽中,實現(xiàn)對食品、藥品和醫(yī)療保健品儲存和運(yùn)輸過程中的狀況高效和準(zhǔn)確的監(jiān)控。

8、CMOS圖像傳感器,醫(yī)療內(nèi)窺新主張

ams的這款像素逆天的CMOS圖像傳感器CMV50000,是采用專利的8晶體管像素結(jié)構(gòu)制作而成的中片幅48M像素傳感器,像素大小為4.6μm,分辨率為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學(xué)動態(tài)范圍最高可達(dá)64dB,在二次抽樣為4K模式下光學(xué)動態(tài)范圍可達(dá)68dB。

NanEye 2D尺寸大小為1mm×1mm×1.5mm,體積不及一枚火柴頭。NanEye 2D提供真正的系統(tǒng)芯片攝像頭,具有完全自定時讀出排序 ,通過LVDS的 AD轉(zhuǎn)換為10位和位串行數(shù)據(jù)傳輸 。憑借小尺寸高性能的優(yōu)勢,這款產(chǎn)品可用于檢查膽管和胰腺的泌尿內(nèi)窺鏡。

原文標(biāo)題:八款最新創(chuàng)新硬件,哪一個能激發(fā)你的設(shè)計靈感?

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