走近3D ToF攝像頭，揭秘ToF感測器工作原理

來源：內容來自「MEMS」，作者：麥姆斯諮詢，謝謝。

在爭奪智能手機和汽車市場的戰爭中，出現了三種領先的3D成像技術。這三種技術分別是雙目立體成像、結構光和飛行時間（ToF）。通過這些技術生成的3D數據可實現行人探測、人臉識別、手部運動檢測以及提供SLAM（simultaneous localization and mapping，即時定位與地圖構建）功能。

目前該領域領先的兩家公司分別是ams（艾邁斯半導體）和Infineon（英飛凌）。

飛行時間原理和框圖

本文將以pmdtechnologies（以下簡稱pmd）與英飛凌合作的3D攝像頭開發套件「pico flexx」為例，重點介紹ToF感測器背後的技術。

Pico flexx為英飛凌和pmd共同開發的ToF圖像感測器REAL3構建的。

從pmd官網下載的一隻手的偽彩色3D圖像，根據ToF感測器到手的距離將顏色映射到每個像素（紅色表示距離近，藍色表示距離遠）

ToF感測器測量光在某介質中行進一段距離所需的時間。通常，這是對脈衝發射光到達物體並反射回到ToF感測器所用時間的測量。ToF攝像頭則利用ToF測量原理（ToF圖像感測器）來確定攝像頭與物體或周圍環境之間距離，並通過測量的點生成深度圖像或3D圖像。

ToF攝像頭的應用包括基於激光的非掃描激光雷達成像系統、運動感測和追蹤、運用於機器視覺和自動駕駛的物體檢測以及地形測繪等。

但如何實現上述應用領域的深度測量？

下面，介紹三種通過測量飛行時間來確定距離的方法。

上圖頂部表達了第一種方法，發射脈衝光並測量它們經反射後返回的時間間隔。

上圖中間表達了第二種方法，調製光源的振幅並記錄反射光波的相移。

上圖底部表達了第三種方法，發射占空比為50%的方波，並記錄在特定間隔內到達的返回光量。

光波和無線電波以接近300,000,000,000mm/s的速度傳播，相當於傳播1mm的距離需要大約3.3ps（同時還需要3.3ps返回時間）。這意味著，如果你想要能對你所在房間的所有物體成像並且想要達到1mm解析度的設備，計時電子器件需要達到皮秒級的解析度，也就是相當於數百GHz的時鐘頻率。

設計在GHz級別頻率下工作的電子電路既不容易，也不經濟，因此，如果設計者希望消費者能夠負擔得起這些器件，他們就必須想出一種在較低頻率下工作的方法。

在合理的sub-GHz頻率下工作時，有兩種常見的方法可以實現毫米級精度：

? 將正弦調製波的相移與距離相關聯

? 使用占空比為50%方波的相移和差分電壓來確定距離

在下面的章節中，我們將更詳細地討論這兩種方法。

假設你正在繪製一間最大長度為15米的小型辦公室或大型起居室。為了確定測量該長度的適宜工作頻率，使用公式c=λ??，其中c是光速（c=3x10?m/s），λ是波長（λ=15m），?是頻率。在此示例中，?=20MHz是一個相對經常使用的頻率。

當強光的輸出經20MHz正弦信號調製時，測量旅程開啟。光波最終會到達測量物體或牆壁，然後調轉方向反射回來。原始光經過調製後將返回到接收器。除非物體正好是15m以外的整數倍，否則相位會略微偏移。

相移可以用來計算波傳播的距離。

如果你能精確地測量相位角，你就能準確地確定反射物體與感測器/探測器之間的距離。

那麼，如何快速測量正弦波的相位角呢？這包括在四個等距點（例如90°或1/4λ的間隔）測量接收信號的幅度。

在此解釋下測量值和相位角之間的關係。A1和A3的差值與A2和A4的差值的比等於相位角的正切值。ArcTan實際上是雙變數反正切函數，可映射至適當的象限，當A2=A4並且A1>A3或A3>A1時，分別定義為0°或180°。

在上圖中，圖表的最左側有兩條垂直數字線，顯示了A1和A3（表示為深黃色）以及A2和A4（表示為藍色）的相減結果。測量值顯示為中間的正弦曲線圖中的垂直線

請注意，該圖形沒有考慮反射（反射會有效地將所有內容移動180°）。

回到我們的例子，到目標物的距離由以下公式確定：

其中c是光速，φ是相位角（以弧度來度量），?是調製頻率。

測量一個光子的實際飛行時間需要頻率為333GHz的電子設備。這種方法最大需要四倍的調製頻率，也就是4 x 20MHz=80MHz。這顯著減少了資源的使用。但相信你會更高興，因為聰明的工程師們找到了進一步降低最大頻率的方法。

另一種測量方法含有頻閃光源和每個像素中包括兩個電容的CMOS圖像感測器。

時鐘源可產生占空比為50%的方波，該方波控制明亮的頻閃光源以及與每個像素內電荷存儲電容器的連接。

該測量方法的示例如下圖所示：

上圖顯示了每個像素中包括兩個電荷存儲電容器的CMOS圖像感測器，切換兩個電荷存儲電容器的連接以記錄入射光

光子由光源發射，並從物體上反射回來，被圖像感測器像素單元接收，此時光將作為電荷記錄在上圖所示的電容器CA或CB中。使用相同的時鐘源，電容器能夠以與照明源相同的頻率交替連接至像素單元。

這種巧妙的設計意味著電容中的差分電荷與相位偏移直接相關。相位由波長和到目標的距離決定。

可以根據需要進行多次循環照明，以對電容充電。只要距離恆定，電荷比例將保持不變。

這種方法效果如何？比你想像的要好。

提供給AAC的感測器與所附軟體相輔相成，能夠記錄高達45fps的數據。在較低的刷新率下，系統仍可以輕鬆地將襯衫上的褶皺成像。

上圖描繪了通過pmd的pico flexx攝像頭捕獲的每個像素（x，y，z）頂點位置

純深度數據本身很難可視化。因此，深度圖像通常與圖片相結合，或者使用偽彩色來顯示，以便於場景的可視化。

低解析度圖像的偽彩色深度疊加使場景的展示更加容易，用pmd的Royal Viewer軟體和CamBoard pico flexx 3D開發套件捕獲的作者頭像

ToF感測器可用於一系列消費、汽車和工業應用中，包括在將人工智慧與3D成像相結合，實現各種智能感測與識別功能，以改變傳統2D視覺的局限。

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。

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