飛行時間的工作原理是什么？

ToF是Time of Flight的簡寫，直譯為飛行時間的意思。所謂飛行時間法3D成像，是通過給目標(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，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來得到目標(biāo)物距離。

光發(fā)射出去后，會被物體反射回來，并且被相機(jī)檢測到。

根據(jù)檢測距離的不同，發(fā)射的光①與反射回來的光②會有時間差。

由于光速是恒定的，所以距離可以通過這個時間差來進(jìn)行計算：

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(直接飛行時間，direct-ToF)

2. iToF(間接飛行時間，indirect-ToF)

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

通過發(fā)射特定頻率的調(diào)制光，檢測反射調(diào)制光和發(fā)射的調(diào)制光之間的相位差，以測量飛行時間。iToF具有整體系統(tǒng)電路相對簡單、比較容易集成、成本低、分辨率較高等優(yōu)勢

那么ToF相機(jī)到底由什么組成？

ToF相機(jī)采用主動光探測，通常包括以下幾個部分：

1、照射單元

照射單元需要對光源進(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)測距離的過程中，光源會打開和關(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，以致眼瞼的反射動作產(chǎn)生保護(hù)作用之前，就已對眼睛造成傷害了。

所以若光束太強(qiáng)，就會傷害視網(wǎng)膜。激光光的高準(zhǔn)直性 (Collimation)，使光線能會聚于一個很小的點，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，對視網(wǎng)膜具有特別高的危險性，這個波段稱為視網(wǎng)膜危險區(qū)(Retinal hazard region)。 

由于激光擁有危險性，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)測電路。以及從軟件層面，有著非常嚴(yán)苛的配置驗證功能， 這樣才能從硬件以及軟件兩個方面，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。不過與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個濾光片來保證只有與照明光源波長相同的光才能進(jìn)入。這樣做的目的是抑制非相干光源減少噪聲，同時防止感光傳感器因外部光線干擾而過度曝光。

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個或者更多快門，用來在不同時間采樣反射光線。

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量每個像素中的深度和幅度信息：攝像頭模組發(fā)射調(diào)制紅外光到待測物體，或至整個場景，通過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，再通過測量發(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/閉精確同步。它對傳感器電荷執(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)域開始應(yīng)用

對于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)動到眼睛看到相應(yīng)圖像的時間差超過20ms時，人就會感到暈眩，除去顯示和系統(tǒng)計算的時間，攝像頭成像時間需要低于10ms。

目前3D成像和傳感器模組包括ToF、雙目測距和結(jié)構(gòu)光三種關(guān)鍵技術(shù)。雙目測距是模仿人眼的2個2D傳感器組合在一起，需要兩個以上的攝像頭，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)通過紅外光將大約幾萬個點陣投射到物體上，用數(shù)量龐大的點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)通過光源的飛行時間測量深度信息，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別、AR/VR 所需要的精度，集成了高速度和低價格，因此TOF是AR應(yīng)用的最佳選擇。這也意味著，隨著AR應(yīng)用市場規(guī)模的增長，核心技術(shù)ToF也會隨之增長。

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)過專門優(yōu)化，可以解決功耗的痛點，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攝像頭長時間處于開啟狀態(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)計可以將體積對比上一代縮小35%，從而為智能設(shè)備設(shè)計提供了更大的空間設(shè)計的自由度，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。