TOF科普篇

TOF技術(shù)原理

ToF是Time of Flight的縮寫(xiě)，直譯為飛行時(shí)間，通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)這些發(fā)射和接收光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。

軍事上和無(wú)人駕駛汽車(chē)上用的工業(yè)級(jí)激光雷達(dá)（LiDAR）也采用到了ToF技術(shù)，利用激光束來(lái)探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量，結(jié)合了激光、全球定位系統(tǒng)GPS和慣性測(cè)量裝置（Inertial Measurement Unit，IMU）三者的作用，進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來(lái)獲取整個(gè)探測(cè)物體的深度信息。

我們這里主要關(guān)注的是可集成在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的小型化ToF相機(jī)。ToF相機(jī)與普通相機(jī)成像過(guò)程類(lèi)似，主要由光源、感光芯片、鏡頭、傳感器、驅(qū)動(dòng)控制電路以及處理電路等幾部分關(guān)鍵單元組成。ToF相機(jī)包括兩部分核心模塊，發(fā)射照明模塊和感光接收模塊，根據(jù)這兩大核心模塊之間的相互關(guān)聯(lián)來(lái)生成深度信息。ToF相機(jī)的感光芯片根據(jù)像素單元的數(shù)量也分為單點(diǎn)和面陣式感光芯片，為了測(cè)量整個(gè)三維物體表面位置深度信息，可以利用單點(diǎn)ToF相機(jī)通過(guò)逐點(diǎn)掃描方式獲取被探測(cè)物體三維幾何結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)面陣式ToF相機(jī)，拍攝一張場(chǎng)景圖片即可實(shí)時(shí)獲取整個(gè)場(chǎng)景的表面幾何結(jié)構(gòu)信息，面陣式ToF相機(jī)更易受到消費(fèi)類(lèi)電子系統(tǒng)搭建的青睞，但是技術(shù)難度也更大。

TOF的照射單元都是對(duì)光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射，一般采用LED或激光（包含激光二極管和VCSEL）來(lái)發(fā)射高性能脈沖光，脈沖可達(dá)到100MHz左右，主要采用紅外光。當(dāng)前市面上已有的ToF相機(jī)技術(shù)大部分是基于連續(xù)波（continuous wave)強(qiáng)度調(diào)制方法，還有一些是基于光學(xué)快門(mén)的方法，原理略有不同。

基于光學(xué)快門(mén)的方法的原理非常簡(jiǎn)單，發(fā)射一束脈沖光波，通過(guò)光學(xué)快門(mén)快速精確獲取照射到三維物體后反射回來(lái)的光波的時(shí)間差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的時(shí)間差，來(lái)回的距離可以通過(guò)公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn)，如控制光學(xué)快門(mén)開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘要求非常高的精度，還要能夠產(chǎn)生高精度及高重復(fù)性的超短脈沖，照射單元和TOF傳感器都需要高速信號(hào)控制，這樣才能達(dá)到高的深度測(cè)量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。

另一種已有的基于連續(xù)波強(qiáng)度調(diào)制的ToF工作原理是發(fā)射一束照明光，利用發(fā)射光波信號(hào)與反射光波信號(hào)的相位變化來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量。其中，照明模組的波長(zhǎng)一般是紅外波段，且需要進(jìn)行高頻率調(diào)制。ToF感光模組與普通手機(jī)攝像模組類(lèi)似，由芯片，鏡頭，線(xiàn)路板等部件構(gòu)成，ToF感光芯片每一個(gè)像元對(duì)發(fā)射光波的往返相機(jī)與物體之間的具體相位分別進(jìn)行錄，通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元提取出相位差，由公式計(jì)算出深度信息。該芯片傳感器結(jié)構(gòu)與普通手機(jī)攝像模組所采用的CMOS圖像傳感器類(lèi)似，但更復(fù)雜一些，它包含調(diào)制控制單元，A/D轉(zhuǎn)換單元，數(shù)據(jù)處理單元等，因此ToF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多，一般20um左右。也需要一個(gè)搜集光線(xiàn)的鏡頭，不過(guò)與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個(gè)紅外帶通濾光片來(lái)保證只有與照明光源波長(zhǎng)相同的光才能進(jìn)入。由于光學(xué)成像系統(tǒng)不同距離的場(chǎng)景為各個(gè)不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要后續(xù)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)這個(gè)誤差進(jìn)行校正。ToF相機(jī)的校正是生產(chǎn)制程中必不可少的最重要的工序，沒(méi)有校正工序，ToF相機(jī)就無(wú)法正常工作。

TOF技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1、體積小，誤差小

TOF相機(jī)要求接收端與發(fā)射端盡可能的接近，越接近，由于發(fā)射、接收路徑不同而帶來(lái)的誤差就越小，從體積緊湊角度來(lái)講有著天然的優(yōu)勢(shì)；

2、直接輸出深度信息

TOF可以直接輸出深度信息，不需要類(lèi)似雙目立體視覺(jué)或者結(jié)構(gòu)光等需要通過(guò)算法計(jì)算來(lái)獲得深度信息。

3、抗干擾強(qiáng)

TOF不受表面灰度和特征影響，太陽(yáng)光由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制，所以TOF抗強(qiáng)光能力也較好。TOF的精度不隨著距離的變化而變化，基本可以穩(wěn)定在cm級(jí)。

TOF技術(shù)劣勢(shì)

1、分辨率偏低，功耗大，功耗部分有待提高。

2、解決方案不夠成熟