智慧家庭的發展已經勢不可擋，而智慧家電在智慧家庭中的比例最高。智慧家電是將微處理器、感測器、網路通訊技術導入家電設備後形成的家電產品，具有自動感知家電自身狀態、家電服務狀態的功能，能夠自動控制及接收住宅用戶在住宅內或遠端的控制指令。例如透過智慧手機、智慧音箱指揮掃地機器人、電視機等家電的工作。
家電的智慧化需根據周圍環境的不同自動作出反應，不需要人為干預，這種自動感知周圍環境，必然少不了感測器的參與。近兩年推出的1D飛時測距感測器則漸漸獲得各大智慧家庭廠商的認可和應用。
測距技術各有所長
市面上常用的測距方案主要有紅外線對射管(Infrared Pair Tube)、接近感測器、1D飛時測距感測器和三角距離感測器，其原理以及優缺點如表1所示。
紅外線對射管和紅外線接近感測器兩種測距方案比較適用在智慧家庭的自動翻蓋和自動掀馬桶圈的衛浴，自動水龍頭等應用場景，因為這種場景對精度要求不高，但是高品質的衛浴和自動水龍頭也逐漸採用1D飛時測距解決方案。
1D飛時測距感測器應用在掃地機器人的障礙物識別和樓梯偵測較為普遍，也包括智慧電視的人體接近偵測，智慧燈的靠近點亮，投影儀的人眼保護以及自動對焦功能，3D智慧門鎖等應用場景。接下來具體介紹1D直接飛時測距感測器原理及以智慧電視為例的應用。
1D飛時測距感測器運作原理/優勢
以艾邁斯半導體(ams)發表可偵測2cm~2.5m距離的解決方案為例，其內部結構如圖1所示。
IR雷射發射器(使用的是VCSEL技術)經過光學元件打出光子，同時給時間數位轉換器(TDC)發出一個開始的訊號，光子遇到障礙物會反射回來，被模組的接收端單光子雪崩二極體(SPAD)所接收，並導致SPAD產生雪崩，進而給TDC一個停止的訊號；TDC透過計算開始和停止訊號之間的時間，即於光速已知的前提下即可算出物體距感測器的距離，實現真正的時間飛行測量(圖2)。
輸出長條圖資料
感測器模組可以直接輸出長條圖資料(圖3)，長條圖是資料分布的精確圖形表示，透過連續採集遇到物體反射回來紅外光的訊號進行處理，反映TDC資料的分布情況，便於距離演算法的精確計算(圖4)。
抗油污與環境光干擾
感測器模組毋需做汙漬校準，具有抗汙漬特性。因為第一個回來的反射訊號永遠都是玻璃蓋板的返回值，而汙漬和玻璃蓋板成為一整體，作為第一個反射訊號。只不過有汙漬後，第一個反射回來的訊號會很強，相對於第二個反射回來被測物體的訊號峰值較弱，感測器模組內置演算法測的是兩次返回訊號峰值的時間差，所以汙漬不會干擾感測器模組工作。
此外，發射的紅外線光源波長在940nm，940nm的紅外光在環境光中的成分較少，干擾相對會較小。
近距遠距分段測量
感測器模組內建演算法可以根據測量的結果，自動切換近距和遠距離模式，使近距和遠距的距離計算更加的精確。
自動校準
校準分為兩種，一種是時間校準，感測器模組主要靠紅外光雷射打出去和反射回來的時間計算距離，所以對內建時鐘精度要求很高，為了避免時鐘偏差，感測器模組會自動以系統時鐘為標定即時校準。另一種是產線一次性光學校準，無需人工參與，只需保證在暗光或是無光環境下，且40cm內無遮擋，即可軟體觸發校準。
另外，感測器模組受照明角度的限制(圖5)，可以放多顆1D時間飛行感測器，擴大偵測的角度。
飛時測距感測器導入電視應用趨向智慧化
2019年8月，華為發表榮耀電視「智慧屏」，將智慧電視互動功能大幅提升，酷炫的語音互動、手機與大螢幕間魔法互動、聯控智慧家庭、升降相機拍照等，如果搭載1D飛時測距感測器則可實現更多應用。
眾所周知，看電視的距離攸關眼睛健康，離電視越近，眼內的睫狀肌收縮力也愈強，也就愈容易造成視覺疲勞，尤其是小孩子，自控力不足，不自覺地就會靠近電視。如果電視裝有一個可以感測物體接近的功能，一旦有物體在一定的範圍內，就自動調暗或關閉顯示器背光並發出警告，提醒小孩子遠離電視，保護小孩的視力。現在市場上部分雷射電視，為了防止人靠近雷射發射端傷害人眼，已經加了距離類的感應感測器。
在智慧電視機上搭載多顆1D飛時測距感測器可以多角度偵測不斷靠近的活動物體的距離，進而做出相應的反應(圖6)。
除了人體接近偵測外，1D飛時測距感測器還可以搭配智慧電視的相機實現自動對焦功能。目前主流的相機對焦方案有兩種，一種是基於CCD半導體成像元件的聚焦技術，其利用物體光反射的原理，物體反射回來的光被相機上的感測器CCD接收，透過電腦處理，帶動電動對焦裝置進行對焦。隨著相機的象素數越來越高，對焦時間會越來越久。另一種是測距的對焦方案，使用1D飛時測距感測器，可以直接給出對焦距離，提高對焦速度，相對於其他對焦方案速度更快、成本更低。
智慧家庭的發展擴大了感測器的應用市場，而1D時間飛行測距感測器作為感測器家族的一員，有著更廣泛的應用場景，可以應用於許多日常的家電中，進一步升級智慧家庭產業，協助家電的智慧化。
(作者任職於ams艾邁斯半導體)
