CXHA31143SD 微型直接飞行时间 (dToF) 传感器
1000mm 测距 | 120Hz 帧率 | 集成 VCSEL/SPAD/TDC | 直方图架构 | 环境光抑制

产品版本：Rev 1.0 | 更新日期：2026年5月 | 型号：CXHA31143SD | 封装：OLGA12

嘉泰姆电子（JTM-IC）推出的CXHA31143SD是一款微型光学直接飞行时间（dToF）传感器，内部集成了940nm VCSEL（垂直腔面发射激光器）、单光子雪崩二极管（SPAD）、时间数字转换器（TDC）和直方图处理架构。该传感器能够测量最远1000mm的距离，测距速度高达120Hz 帧率，且测量精度不受物体颜色、反射率和表面纹理的影响。内置基于直方图的算法，支持盖板玻璃校准和污渍补偿，确保高可靠性应用。通过窄带光学滤波器和内置阳光抑制算法，环境光噪声被有效抑制。芯片内部集成 Cortex-M0 MCU 和 EEPROM，所有数据处理均在片内完成，并通过 I²C 接口输出距离和置信度信息。符合 Class 1 眼安全标准，采用紧凑型 OLGA12 封装，CXHA31143SD 是激光自动对焦、手势识别、避障、机器人吸尘器、智能家居等应用的理想选择。

1. 产品概述与市场定位

传统红外接近传感器和间接飞行时间（iToF）传感器受环境光、物体颜色和反射率影响较大，且测距精度和速度有限。CXHA31143SD 采用直接飞行时间（dToF）技术，通过测量激光脉冲发射到返回的时间差直接计算距离，具有高精度、高速度、抗干扰能力强等优点。芯片内部集成了 940nm VCSEL、SPAD 阵列、TDC 和直方图处理引擎，并内置 Cortex-M0 MCU 和 EEPROM，可独立完成测距和校准，无需外部处理器参与复杂运算。其直方图架构能够区分多个反射信号（例如玻璃表面前后反射），有效抵抗多径干扰。独有的盖板玻璃校准和污渍补偿功能，使得传感器可安装在手机、手表等带有盖板的设备内，长时间使用后仍保持测距精度。CXHA31143SD 为新一代激光自动对焦、存在检测、避障和手势识别应用提供了理想的单芯片解决方案。

2. 主要特点与技术亮点

• 全集成 dToF 传感器：集成 940nm VCSEL、SPAD、TDC、直方图处理器、MCU 和 EEPROM，单芯片完成所有测距功能。
• 长距离测量：最远测量距离 1000mm，满足大多数接近和避障场景。
• 高速测距：最高 120Hz 帧率，可快速响应移动物体。
• 不受物体影响：测量精度与物体颜色、反射率、表面纹理无关，适用于深色或高反光物体。
• 直方图架构：可区分多个物体反射，抗多径干扰，支持玻璃盖板前后双反射检测。
• 环境光抑制：集成窄带光学滤光片和数字阳光抑制算法，可在室外强光下正常工作。
• 盖板玻璃校准与污渍补偿：内置校准算法，可补偿盖板玻璃衰减和表面污渍影响，保证长期可靠性。
• Class 1 眼安全：符合 IEC/EN 60825-1 标准，对人眼安全，无需额外防护。
• 灵活的 I²C 接口：支持 100kHz ~ 1MHz 时钟频率，可编程设备地址，提供 XSHUT（复位）和中断 GPIO。
• 内置 MCU 和 EEPROM：可存储校准数据和配置参数，支持出厂预校准和客户定制。
• 微型一体封装：OLGA12 紧凑封装，易于集成到空间受限产品中。
• 典型应用：激光自动对焦、一维手势识别、避障、机器人吸尘器、智能马桶、安防监控等。

3. 引脚封装说明（占位图）

CXHA31143SD 采用 OLGA12 封装（12 引脚），超小尺寸。主要引脚包括：VDD（电源）、GND、I²C_SCL/SDA、XSHUT（硬件复位）、INT（中断输出）。片内集成 VCSEL、SPAD、光学滤光片，外部仅需少量去耦电容。详细引脚映射及尺寸请参考数据手册。

4. 功能框图与典型应用电路占位

5. 极限参数与电气特性（设计参考）

6. 工作原理与关键技术深度解析

6.1 直接飞行时间（dToF）测量原理

CXHA31143SD 通过 VCSEL 发射短脉冲激光，激光遇到物体后反射回传感器，SPAD 阵列检测光子到达时间，TDC 记录发射与接收的时间差 Δt，距离 = c × Δt / 2（c 为光速）。由于采用单光子探测技术，可实现极高灵敏度和低功耗。

6.2 直方图架构与抗多径干扰

传统 dToF 仅记录首个返回信号，当存在玻璃、镜面等部分反射时会产生误差。CXHA31143SD 的直方图引擎将多次测量的光子到达时间累积成直方图，可区分多个峰值，从而准确识别真实目标距离，同时滤除玻璃前后表面的多次反射。

6.3 环境光抑制与室外性能

传感器集成了窄带光学滤光片（中心波长 940nm，半高宽 20nm），有效阻挡环境光中的非红外成分。此外，内置的阳光抑制算法通过动态调整 SPAD 偏压和阈值，在 100k Lux 阳光下仍能保持稳定测距。

6.4 盖板玻璃校准与污渍补偿

当传感器安装在盖板玻璃下方时，玻璃会衰减发射和接收信号，且表面污渍会进一步降低信噪比。芯片内置盖板玻璃校准程序：在已知距离下（如 50mm）测量参考值，存储到 EEPROM。运行时自动进行信号补偿，即使玻璃上有水渍、油污仍能输出准确距离。

6.5 内置 MCU 和 EEPROM 的自主运行

集成的 Cortex-M0 MCU 运行直方图处理、距离计算、环境光补偿和校准算法，无需主控介入。EEPROM 存储配置参数和校准数据，上电后自动加载，简化系统设计。主控只需通过 I²C 读取距离和置信度值即可。

7. 基于 CXHA31143SD 的激光自动对焦设计实例（手机摄像头）

设计目标：手机摄像头激光自动对焦，测量距离 50~800mm，帧率 30Hz，适应各种环境光和盖板玻璃。

• 机械集成：传感器安装在摄像头模组旁边，光窗与盖板玻璃内表面贴合，外部对应位置开窗。保持光路无遮挡。
• 硬件连接：VDD 接 2.8V 电源，I²C 上拉电阻 2.2kΩ，XSHUT 接主控 GPIO（用于低功耗模式），INT 接主控中断输入。
• 配置步骤：上电后通过 I²C 配置帧率 30Hz，使能盖板玻璃校准模式，执行一次校准（将参考距离写入 EEPROM）。启动连续测距。
• 数据读取：主控轮询中断或读取状态寄存器，获取距离值（mm）。当距离变化时，驱动摄像头马达调整焦距。
• 功耗优化：在不需对焦时可设置 XSHUT 低电平进入关机模式（<1μA），或降低帧率至 5Hz。
• 环境测试：在 100k Lux 太阳光下，测距仍然稳定；盖板玻璃有轻微水渍时，精度仍保持在 ±5% 内。

实测数据：距离 200~800mm 误差 <±10mm，帧率 30Hz，功耗约 25mA。该方案已应用于多款旗舰手机的后置激光对焦模块。

8. PCB 布局与光路设计建议

• 光窗开孔：传感器正上方外壳必须开窗，开孔尺寸略大于光窗孔径，避免遮挡。盖板玻璃应选择高红外透过率材料（如红外油墨或透红外玻璃）。
• 电源去耦：VDD 引脚附近放置 4.7μF 和 0.1μF 陶瓷电容，尽量靠近芯片。
• I²C 走线：SCL/SDA 上拉电阻靠近芯片，走线尽量短，避免与射频或高速数字信号并行。
• 地平面：传感器下方保持完整地平面，但光窗区域内禁止铺铜（防止反射干扰）。
• 热设计：VCSEL 脉冲电流较大，但平均功耗低，通常无需特殊散热。需确保远离发热器件。
• 盖板玻璃校准：生产过程中需执行盖板玻璃校准步骤，将校准数据写入 EEPROM，补偿个体差异。
• ESD 保护：外露开窗可能引入 ESD，可在 I²C 线路上串联 100Ω 电阻并加 TVS 管到地，XSHUT 和 INT 引脚同样加保护。

9. 订购信息与技术支持

CXHA31143SD 采用 OLGA12 封装，无铅，RoHS 合规。嘉泰姆电子提供工程样品、量产芯片及全面的技术支持，包括评估板、参考代码、盖板校准工具和 FAE 现场支持。