飛行時(shí)間的工作原理是什么？

ToF是Time of Flight的簡(jiǎn)寫(xiě)，直譯為飛行時(shí)間的意思。所謂飛行時(shí)間法3D成像，是通過(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)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。

光發(fā)射出去后，會(huì)被物體反射回來(lái)，并且被相機(jī)檢測(cè)到。

根據(jù)檢測(cè)距離的不同，發(fā)射的光①與反射回來(lái)的光②會(huì)有時(shí)間差。

由于光速是恒定的，所以距離可以通過(guò)這個(gè)時(shí)間差來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

目前市面上的 ToF 產(chǎn)品按技術(shù)路線可以分為兩大類：

1. dToF(直接飛行時(shí)間，direct-ToF)

2. iToF(間接飛行時(shí)間，indirect-ToF)

目前英飛凌采用的是iToF的continuous wave技術(shù)路徑：

通過(guò)發(fā)射特定頻率的調(diào)制光，檢測(cè)反射調(diào)制光和發(fā)射的調(diào)制光之間的相位差，以測(cè)量飛行時(shí)間。iToF具有整體系統(tǒng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單、比較容易集成、成本低、分辨率較高等優(yōu)勢(shì)

那么ToF相機(jī)到底由什么組成？

ToF相機(jī)采用主動(dòng)光探測(cè)，通常包括以下幾個(gè)部分：

1、照射單元

照射單元需要對(duì)光源進(jìn)行脈沖調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射，調(diào)制的光脈沖頻率可以高達(dá)250MHz（IRS9102 Driver IC）。

因此，在圖像監(jiān)測(cè)距離的過(guò)程中，光源會(huì)打開(kāi)和關(guān)閉很多次。

如此高的調(diào)制頻率和精度只有采用精良的LED或激光二極管才能實(shí)現(xiàn)。目前主流的方案都是使用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）

今天主流的VCSEL采用的是人眼不可見(jiàn)的紅外光源。940nm激光或者850nm的激光，由于人眼的角膜(Cornea)與結(jié)膜(Conjunctiva)沒(méi)有受到如一般皮膚角質(zhì)層的保護(hù)，最容易受到光束及其他環(huán)境因素的侵襲。激光的光強(qiáng)度很高，以致眼瞼的反射動(dòng)作產(chǎn)生保護(hù)作用之前，就已對(duì)眼睛造成傷害了。

所以若光束太強(qiáng)，就會(huì)傷害視網(wǎng)膜。激光光的高準(zhǔn)直性 (Collimation)，使光線能會(huì)聚于一個(gè)很小的點(diǎn)，在視網(wǎng)膜上約為 10 至20um(比頭發(fā)還細(xì)）。

因此，400nm到 1400nm之間的激光，對(duì)視網(wǎng)膜具有特別高的危險(xiǎn)性，這個(gè)波段稱為視網(wǎng)膜危險(xiǎn)區(qū)(Retinal hazard region)。 

由于激光擁有危險(xiǎn)性，因此保證激光的安全性非常重要。英飛凌搭載了REAL3?技術(shù)的全系Image Sensor都內(nèi)置了獨(dú)立的硬件激光安全監(jiān)測(cè)電路。以及從軟件層面，有著非常嚴(yán)苛的配置驗(yàn)證功能， 這樣才能從硬件以及軟件兩個(gè)方面，全方位保證激光安全。

2、光學(xué)透鏡

用于匯聚反射光線，在光學(xué)傳感器上成像。不過(guò)與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個(gè)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。這樣做的目的是抑制非相干光源減少噪聲，同時(shí)防止感光傳感器因外部光線干擾而過(guò)度曝光。

3、成像傳感器

ToF相機(jī)的核心。該傳感器結(jié)構(gòu)與普通圖像傳感器類似，但比圖像傳感器更復(fù)雜：它包含2個(gè)或者更多快門，用來(lái)在不同時(shí)間采樣反射光線。

我們以英飛凌的ToF Sensor為例，英飛凌ToF技術(shù)使用紅外光源就能直接測(cè)量每個(gè)像素中的深度和幅度信息：攝像頭模組發(fā)射調(diào)制紅外光到待測(cè)物體，或至整個(gè)場(chǎng)景，通過(guò)REAL3? 圖像傳感器，即ToF成像器捕獲發(fā)射光，就得到了原始的3D圖像信息。這時(shí)，再通過(guò)測(cè)量發(fā)射光與接收光之間的幅度值以及相位差，即可“提煉”完整場(chǎng)景的灰度信息以及高度可靠的深度信息，并形成兩張可視化的2D灰階振幅圖與3D深度信息圖，進(jìn)而為后續(xù)的應(yīng)用驗(yàn)算提供準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)。

4、控制單元

相機(jī)的電子控制單元觸發(fā)的光脈沖序列與芯片電子快門的開(kāi)/閉精確同步。它對(duì)傳感器電荷執(zhí)行讀出和轉(zhuǎn)換，并將它們引導(dǎo)至分析單元和數(shù)據(jù)接口。

AR/VR技術(shù)目前已經(jīng)在家居、機(jī)器人等多種領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用

對(duì)于AR應(yīng)用，響應(yīng)速度是關(guān)鍵指標(biāo)之一，當(dāng)從人的前庭感到運(yùn)動(dòng)到眼睛看到相應(yīng)圖像的時(shí)間差超過(guò)20ms時(shí)，人就會(huì)感到暈眩，除去顯示和系統(tǒng)計(jì)算的時(shí)間，攝像頭成像時(shí)間需要低于10ms。

目前3D成像和傳感器模組包括ToF、雙目測(cè)距和結(jié)構(gòu)光三種關(guān)鍵技術(shù)。雙目測(cè)距是模仿人眼的2個(gè)2D傳感器組合在一起，需要兩個(gè)以上的攝像頭，軟件復(fù)雜度高且精度一般，但速度較慢。結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過(guò)紅外光將大約幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)陣投射到物體上，用數(shù)量龐大的點(diǎn)陣得到物體的深度信息，精度高但有效距離有限。

而ToF技術(shù)通過(guò)光源的飛行時(shí)間測(cè)量深度信息，軟件集成度更低且速度更快，比結(jié)構(gòu)光的材料成本低，盡管其精度遜與結(jié)構(gòu)光，但也能夠滿足人臉識(shí)別、AR/VR 所需要的精度，集成了高速度和低價(jià)格，因此TOF是AR應(yīng)用的最佳選擇。這也意味著，隨著AR應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)，核心技術(shù)ToF也會(huì)隨之增長(zhǎng)。

與之前的3D ToF圖像傳感器相比，第六代REAL3 3D ToF圖像傳感器經(jīng)過(guò)專門優(yōu)化，可以解決功耗的痛點(diǎn)，從而增強(qiáng)拍照效果和AR/MR功能。該傳感器比前幾代產(chǎn)品能耗降低40%，從而提高了智能設(shè)備的電池使用壽命。這是AR/MR游戲的關(guān)鍵，例如ToF攝像頭長(zhǎng)時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài)。由于具有較高的SoC集成度，因此采用這種新款3D ToF圖像傳感器的攝像頭設(shè)計(jì)可以將體積對(duì)比上一代縮小35%，從而為智能設(shè)備設(shè)計(jì)提供了更大的空間設(shè)計(jì)的自由度，進(jìn)而提高了成本效率。新款3D ToF圖像傳感器及系統(tǒng)旨在提供最遠(yuǎn)10米的深度數(shù)據(jù)。完全可以滿足當(dāng)下的AR/VR的應(yīng)用距離的要求。