電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）ToF的測(cè)距原理其實(shí)并不復(fù)雜，通過給目標(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，計(jì)算探測(cè)光脈沖的飛行時(shí)間來得到目標(biāo)物距離。這和機(jī)器視覺中另一種主流的傳感器3D激光傳感原理是類似的。區(qū)別在于，3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而ToF相機(jī)是同時(shí)得到整幅圖像的深度（距離）信息。

連續(xù)波VS脈沖

ToF采用的測(cè)量方法目前主流的有連續(xù)波CW和脈沖兩種。不管是何種技術(shù)系統(tǒng)，連續(xù)波CW和脈沖都需要考慮測(cè)量距離、系統(tǒng)環(huán)境、精度要求、功耗和尺寸。

連續(xù)波CW采用周期調(diào)制信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)發(fā)光，然后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行零差解調(diào)以測(cè)量反射光的相移。目前市面上應(yīng)用廣泛的連續(xù)波CW技術(shù)系統(tǒng)都使用CMOS傳感器。CMOS傳感具有很高的輸出數(shù)據(jù)速率，但連續(xù)波傳感需要在多個(gè)調(diào)制頻率下多幀處理計(jì)算深度。一旦系統(tǒng)在曝光較長(zhǎng)，那么系統(tǒng)的整體幀率就會(huì)受到限制，模糊運(yùn)動(dòng)軌跡。處理上的復(fù)雜性增加可能會(huì)導(dǎo)致要在外部引入處理器，因此連續(xù)波CW系統(tǒng)并不適用于所有類型的應(yīng)用。

不過換個(gè)角度想，CMOS成像器在更快的速度之外，靈活性也相對(duì)較高，能實(shí)現(xiàn)的功能也豐富。而且對(duì)于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用，連續(xù)波CW系統(tǒng)會(huì)比脈沖系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，它并不像CCD對(duì)激光脈沖的要求那么嚴(yán)苛。而且不能忽視的一點(diǎn)是，在成像器系統(tǒng)中，CMOS比非CMOS的電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多，比如CCD會(huì)要求更高的正負(fù)極電源。

到了更遠(yuǎn)距離的測(cè)量距離和更強(qiáng)環(huán)境光的場(chǎng)景應(yīng)用中，脈沖技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)更大，連續(xù)光CW系統(tǒng)在這種應(yīng)用里不可避免地要提高光功率，高強(qiáng)度的連續(xù)光信號(hào)很難使器件不出現(xiàn)散熱等方面的問題。脈沖技術(shù)在這種情況下優(yōu)勢(shì)更大是因?yàn)?，脈沖技術(shù)系統(tǒng)能在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出高能光脈沖，對(duì)于室外這種環(huán)境光強(qiáng)烈的場(chǎng)景它展現(xiàn)出的魯棒性更強(qiáng)。而且脈沖系統(tǒng)中的信號(hào)占空比通常比同等水平的連續(xù)波CW系統(tǒng)要低得多，系統(tǒng)的總功耗會(huì)有明顯的下降。

不過脈沖系統(tǒng)需要對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序控制極其精準(zhǔn)，遠(yuǎn)超過連續(xù)波CW技術(shù)系統(tǒng)的時(shí)序控制難度，有些應(yīng)用甚至要到皮秒級(jí)。脈沖系統(tǒng)對(duì)功率的要求也很嚴(yán)苛，否則無法達(dá)到足夠短的脈沖寬度。

不管是CMOS還是CCD技術(shù)路線，都是基于幀的圖像傳感，目前也有基于事件的圖像傳感，分辨率不再由固定的時(shí)序源（幀時(shí)鐘）控制，而是由信號(hào)在幅度域的變化來控制，并在檢測(cè)到變化或運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行記錄。目前這種圖像傳感也能實(shí)現(xiàn)很快的動(dòng)態(tài)范圍。

高度集成的ToF器件

光發(fā)射器和接收器構(gòu)成了ToF遠(yuǎn)距離接近傳感和距離感測(cè)系統(tǒng)的感測(cè)元件。發(fā)射器發(fā)送調(diào)制光脈沖，模擬前端測(cè)量光脈沖的往返時(shí)間。ToF傳感器的高速高分辨率很大程度上依賴于其模擬前端的性能，現(xiàn)在ToF AFE的集成度也是越來越高。ADC、時(shí)序序列器和數(shù)字處理引擎甚至照明驅(qū)動(dòng)都會(huì)完整地集成在AFE中，接下來只需要靈活定制光電二極管和發(fā)射極即可。

像TI目前在AFE上推的OPT3101就是ToF連續(xù)波CW技術(shù)的高速、高分辨率 AFE。集成了完整的深度處理管道，ADC、時(shí)序序列器和數(shù)字處理引擎都在其中。采樣率能達(dá)到4kHz，能在15m的清晰范圍內(nèi)具有16位距離輸出。AFE在1kHz時(shí)有88dB信號(hào)相位動(dòng)態(tài)范圍。

ADI深度傳感推的ADDI9036則是CCD TOF成像前端，包括一個(gè)模擬前端、一個(gè)時(shí)序發(fā)生器、一個(gè)激光二極管驅(qū)動(dòng)、一個(gè)H驅(qū)動(dòng)和一個(gè)垂直驅(qū)動(dòng)，集成度也是相當(dāng)?shù)母?。ADC的配置同樣是12位45MHz，在45MHz頻率下分辨率為174 ps。

行業(yè)主流的ToF廠商pmd的CMOS 3D深度傳感則用了Infineon的SoC REAL3系列。REAL3以毫秒級(jí)的捕獲速度實(shí)時(shí)傳送深度數(shù)據(jù)，在惡劣環(huán)境條件下有極高的魯棒性。而且其抑制背景照明（SBI）的專利技術(shù)，REAL3能抵御陽光或其他紅外發(fā)射光源等外部光源，穩(wěn)定性很高。

小結(jié)

目前在深度傳感領(lǐng)域，ToF相機(jī)憑借更小的外形尺寸、更寬的動(dòng)態(tài)感測(cè)范圍，以及在多種環(huán)境下工作的能力，配合強(qiáng)大的AI算法成為首選的深度傳感方法。尤其在工業(yè)以及汽車市場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，ToF解決了很多傳統(tǒng)2D技術(shù)束手無策的問題。