Digi-Key带您了解3D飞时测距(ToF)技术概念
- 吴冠仪／台北讯
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3D时差测距，或3D ToF是一种无扫描仪的LiDAR(光检测和测距)技术，透过发射纳秒级的高功率光脉冲来捕获相关场景的深度信息(通常是在短距离内)。时差测距技术在深度测量和物体检测的领域发挥着重要作用，如工厂自动化、机器人以及物流应用。特别是在安全方面，需要对特定距离的物体或人员进行检测和回应，例如一旦工人进入危险区域，机械臂可能需要立即停止。
时差测距技术利用调制光源(例如雷射)主动照射物体，然后用对雷射波长敏感的传感器捕捉反射光，即利用数据信号在一对收发器之间往返的光线飞行时间，来测量两点间的深度。
如图一所示，时间延迟ΔT与发射端和物体之间的两倍深度(往返)成正比；因此，深度(d)可以估算为d=(cΔT)/2，其中c代表光速。
目前有多种不同的测量时间延迟的方法，其中有两种最为常用：连续波(CW)方法和脉冲方法。值得注意的是，目前在市面上使用的绝大多数连续波ToF系统都使用CMOS传感器，脉冲ToF系统则使用非CMOS传感器(通常是CCD传感器)。
连续波系统是测量发射和接收的调制脉冲之间的相移，而脉冲系统是测量发射和接收之间脉冲经过的时间，两者测量模式都各有其优点和缺点。
对于对精度要求不高的应用，连续波系统可能比脉冲系统更容易实现，因为它不要求雷射脉冲非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，当然在实际应用中很难复制完美的正弦波。但是，如果精度要求变得更严格，那麽将需要更高频率的调制信号，这在实际上很难实现。
由于雷射信号具有周期性，所以连续波系统测量中的任何相位测量每隔2π会重复一次，这意味着会产生一个混叠距离。对于只有一个调制频率的系统，混叠距离也是最大可测距离。
为了应对这个限制，可以使用多个调制频率来执行相位展开，其中，如果两个(或多个)具有不同调制频率的相位测量值与估算的深度一致，就可以确定与物体之间的真实深度。这种多重调制频率方案也可以用于减少多路径误差，多路径误差是由于一个物体的反射光击中另一个物体(或在镜头内部反射)，然后返回到传感器时会导致的测量误差。
连续波系统的温度校准可能比脉冲系统更容易。随着系统温度升高，解调信号和雷射信号会因为温度变化彼此偏移，但这种偏移只会影响测量距离，在整个距离范围内始终存在偏置误差，而深度线性度则基本保持稳定。
虽然与其他传感器相比，CMOS传感器具有更高的输出数据速率，但连续波传感器需要在多个调制频率下获得4个相关函数样本，并使用多帧处理来计算深度。较长的曝光时间可能会限制系统的整体帧率，或导致运动模糊，因此只能在有限类型的应用中使用。这种更高的处理复杂性，可能需要用到外部应用处理器，而这可能超出了应用的需求。
对于更线上离的测量或者更强环境光的场景，更高的连续光功率(与脉冲系统相比)则十分必要，但这种高强度的连续光信号则可能导致散热和可靠性的问题。
脉冲系统通常依赖于在很短的时间窗口内发出高能量光脉冲。它具有下列优点：更加便于设计稳固性强的系统，因此更适用于户外，曝光时间越短，运动模糊的效应越小。
脉冲系统中的信号占空比通常比同等水准的连续波系统要低得多，因此具有以下优点：对于长期工作的应用，可以降低系统的整体功率消耗，以及透过将脉冲群放置在与其他系统不同的帧位置，进而避免来自其他脉冲ToF系统的干扰。
这可以透过协调各种系统在一帧中为雷射脉冲选择不同的位置，或者使用外部光电探测器来确定其他系统脉冲的位置来实现。另一种方法是动态随机排列脉冲群的位置，这样就无需协调各个系统之间的时序，但这种方法无法完全消除干扰。
由于脉冲时序和宽度不需要一样，所以可以采用不同的时序方案，支持实现更宽的动态范围和自动曝光等功能。
因发射光脉冲的脉宽和快门的脉宽需要保持相同，所以系统的时序控制需要非常精确，根据应用需要，可能需要达到皮秒级精度。为了达到最大效率，雷射脉冲宽度必须非常短，但同时必须具有极高的功率。因此，雷射驱动器需要实现非常快的上升/下降沿(<1ns)。
与连续波系统相比，其温度校准过程可能更为复杂，因为温度的变化会影响单个脉冲宽度，不仅影响偏置和增益，还会影响其线性度。
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