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ToF技术科普篇

2017-02-25 11:00:09 慧眼网

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一、ToF技术原理

ToF是Time of Flight的缩写,直译为飞行时间,通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

军事上和无人驾驶汽车上用的工业级激光雷达(LiDAR)也采用到了ToF技术,利用激光束来探测目标的位置、速度等特征量,结合了激光、全球定位系统GPS和惯性测量装置(Inertial Measurement Unit,IMU)三者的作用,进行逐点扫描来获取整个探测物体的深度信息。

我们这里主要关注的是可集成在消费类电子产品的小型化ToF相机。ToF相机与普通相机成像过程类似,主要由光源、感光芯片、镜头、传感器、驱动控制电路以及处理电路等几部分关键单元组成。ToF相机包括两部分核心模块,发射照明模块和感光接收模块,根据这两大核心模块之间的相互关联来生成深度信息。ToF相机的感光芯片根据像素单元的数量也分为单点和面阵式感光芯片,为了测量整个三维物体表面位置深度信息,可以利用单点ToF相机通过逐点扫描方式获取被探测物体三维几何结构,也可以通过面阵式ToF相机,拍摄一张场景图片即可实时获取整个场景的表面几何结构信息,面阵式ToF相机更易受到消费类电子系统搭建的青睐,但是技术难度也更大。

TOF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射,一般采用LED或激光(包含激光二极管和VCSEL)来发射高性能脉冲光,脉冲可达到100MHz左右,主要采用红外光。当前市面上已有的ToF相机技术大部分是基于连续波(continuous  wave)强度调制方法,还有一些是基于光学快门的方法,原理略有不同。分别的原理如下图所示:

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基于光学快门的方法的原理非常简单,发射一束脉冲光波,通过光学快门快速精确获取照射到三维物体后反射回来的光波的时间差t,由于光速c已知,只要知道照射光和接收光的时间差,来回的距离可以通过公示d = t/2· c。 此种方法原理看起来非常简单,但是实际应用中要达到较高的精度仍具有很大的挑战,如控制光学快门开关的时钟要求非常高的精度,还要能够产生高精度及高重复性的超短脉冲,照射单元和TOF传感器都需要高速信号控制,这样才能达到高的深度测量精度。 假如照射光与ToF传感器之间的时钟信号发生10ps的偏移,就相当于1.5mm的位移误差。

另一种已有的基于连续波强度调制的ToF工作原理如下:

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发射一束照明光,利用发射光波信号与反射光波信号的相位变化来进行距离测量。其中,照明模组的波长一般是红外波段,且需要进行高频率调制。ToF感光模组与普通手机摄像模组类似,由芯片,镜头,线路板等部件构成,ToF感光芯片每一个像元对发射光波的往返相机与物体之间的具体相位分别进行录,通过数据处理单元提取出相位差,由公式计算出深度信息。该芯片传感器结构与普通手机摄像模组所采用的CMOS图像传感器类似,但更复杂一些,它包含调制控制单元,A/D转换单元,数据处理单元等,因此ToF芯片像素比一般图像传感器像素尺寸要大得多,一般20um左右。也需要一个搜集光线的镜头,不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个红外带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。由于光学成像系统不同距离的场景为各个不同直径的同心球面,而非平行平面,所以在实际使用时,需要后续数据处理单元对这个误差进行校正。ToF相机的校正是生产制程中必不可少的最重要的工序,没有校正工序,ToF相机就无法正常工作。

二、ToF技术的优势

1、体积小、误差小

ToF相机要求发光器件与接收器件间尽可能接近,越接近,由于发射-接收路径不同所产生的误差就越小。从设备小型化的角度出发,ToF从原理上就有着天然的不可超越的优势。与其他三维测量技术相比,ToF相机体积小巧,非常适合于一些需要轻便、小体积相机的产品应用场合。

2、直接输出深度数据

ToF相机的最为独特的优势是可以直接输出被探测物体的深度数据,而不需要像双目立体视觉或结构光需要经过相应的算法来处理后才能获取三维物体的深度数据,因此可以充分减轻后端处理平台的压力。

3、抗干扰强

ToF的深度计算不受物体表面灰度和特征影响,可以非常准确的进行三维探测。

ToF芯片上,每个像素点就对应于一个物体表面的实际位置,只要有反射光回来,就可以通过解相位的方法获取到深度。另一方面,由于太阳光并未经过调制,可以认为它对相位是没有影响的,所以ToF对于强光环境也有一定的抗干扰稳定性。

另外,ToF的深度计算精度不随距离改变而变化,基本能稳定在cm级,这对于一些大范围运动的应用场合非常有意义。

三、ToF技术的劣势

1.分辨率偏低,功耗大

ToF芯片的分辨率目前还偏低,市面上相对成熟的最高的也只达到了QVGA的水准(320*240),功耗上也略微不尽人意,在消费类电子产品上使用还需要继续优化功耗。

2.解决方案不够成熟,开发群体较为薄弱

目前基于ToF的解决方案不够成熟,开发群体较为薄弱,支持的应用较少。

四、ToF的市场应用

1.智能手机

去年联想正式发布的全球首款AR手机Phab 2 pro就采用了ToF相机, 2017 CES华硕发布的全球首款同时支持Tango和Daydream平台的手机Zenfone也采用了ToF相机,未来可能还会有更多的手机厂商使用。 ToF技术能够应用于智能手机,主要原因有两点:

一是可以使用ToF相机获取外界的真实三维信息,可以用来实现多种AR级应用,创造新的卖点;

二是传感器内部即可完成深度计算,通过I2C总线接口输出数据,因而对手机主控制器的压力并不大。

2.AR/VR

由于VR/AR应用对动作捕捉和识别的需求不断提升,ToF技术或将大展身手。一是ToF技术在VR头显中可增强手势控制功能,二是可为双摄像头系统增强盲区检测功能,为用户提供更好的体验。

3.其他应用

ToF的感测能力可支持各种功能,包括各种创新用户界面的手势感测或接近检测,因而在计算机、家用电器、消费电子和工业自动化、服务机器人、无人机、物联网等领域,都有显见的应用潜力。

(本文来源:舜宇智能光学)

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