高集成度感测元件助力下的连续波与脉冲ToF深度传感

电子发烧友网报道（文/李宁远）ToF的测距原理其实并不复杂，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，计算探测光脉冲的飞行时间来得到目标物距离。这和机器视觉中另一种主流的传感器3D激光传感原理是类似的。区别在于，3D激光传感器是逐点扫描，而ToF相机是同时得到整幅图像的深度（距离）信息。
 

（基于Infineon REAL3的3D摄像头模块，pmd）

 
连续波VS脉冲
 
ToF采用的测量方法目前主流的有连续波CW和脉冲两种。不管是何种技术系统，连续波CW和脉冲都需要考虑测量距离、系统环境、精度要求、功耗和尺寸。
 
连续波CW采用周期调制信号进行主动发光，然后对接收到的信号进行零差解调以测量反射光的相移。目前市面上应用广泛的连续波CW技术系统都使用CMOS传感器。CMOS传感具有很高的输出数据速率，但连续波传感需要在多个调制频率下多帧处理计算深度。一旦系统在曝光较长，那么系统的整体帧率就会受到限制，模糊运动轨迹。处理上的复杂性增加可能会导致要在外部引入处理器，因此连续波CW系统并不适用于所有类型的应用。
 
不过换个角度想，CMOS成像器在更快的速度之外，灵活性也相对较高，能实现的功能也丰富。而且对于对精度要求不高的应用，连续波CW系统会比脉冲系统更容易实现，它并不像CCD对激光脉冲的要求那么严苛。而且不能忽视的一点是，在成像器系统中，CMOS比非CMOS的电源设计简单得多，比如CCD会要求更高的正负极电源。
 
到了更远距离的测量距离和更强环境光的场景应用中，脉冲技术系统优势更大，连续光CW系统在这种应用里不可避免地要提高光功率，高强度的连续光信号很难使器件不出现散热等方面的问题。脉冲技术在这种情况下优势更大是因为，脉冲技术系统能在很短的时间内发出高能光脉冲，对于室外这种环境光强烈的场景它展现出的鲁棒性更强。而且脉冲系统中的信号占空比通常比同等水平的连续波CW系统要低得多，系统的总功耗会有明显的下降。
 
不过脉冲系统需要对系统的时序控制极其精准，远超过连续波CW技术系统的时序控制难度，有些应用甚至要到皮秒级。脉冲系统对功率的要求也很严苛，否则无法达到足够短的脉冲宽度。
 
不管是CMOS还是CCD技术路线，都是基于帧的图像传感，目前也有基于事件的图像传感，分辨率不再由固定的时序源（帧时钟）控制，而是由信号在幅度域的变化来控制，并在检测到变化或运动时进行记录。目前这种图像传感也能实现很快的动态范围。
 
高度集成的ToF器件
 
光发射器和接收器构成了ToF远距离接近传感和距离感测系统的感测元件。发射器发送调制光脉冲，模拟前端测量光脉冲的往返时间。ToF传感器的高速高分辨率很大程度上依赖于其模拟前端的性能，现在ToF AFE的集成度也是越来越高。ADC、时序序列器和数字处理引擎甚至照明驱动都会完整地集成在AFE中，接下来只需要灵活定制光电二极管和发射极即可。
 
像TI目前在AFE上推的OPT3101就是ToF连续波CW技术的高速、高分辨率 AFE。集成了完整的深度处理管道，ADC、时序序列器和数字处理引擎都在其中。采样率能达到4kHz，能在15m的清晰范围内具有16位距离输出。AFE在1kHz时有88dB信号相位动态范围。
 

（连续波AFE OPT3101，TI）

 
ADI深度传感推的ADDI9036则是CCD TOF成像前端，包括一个模拟前端、一个时序发生器、一个激光二极管驱动、一个H驱动和一个垂直驱动，集成度也是相当的高。ADC的配置同样是12位45MHz，在45MHz频率下分辨率为174 ps。
 

（CCD前端ADDI9036，ADI）

 
行业主流的ToF厂商pmd的CMOS 3D深度传感则用了Infineon的SoC REAL3系列。REAL3以毫秒级的捕获速度实时传送深度数据，在恶劣环境条件下有极高的鲁棒性。而且其抑制背景照明（SBI）的专利技术，REAL3能抵御阳光或其他红外发射光源等外部光源，稳定性很高。
 
小结
 
目前在深度传感领域，ToF相机凭借更小的外形尺寸、更宽的动态感测范围，以及在多种环境下工作的能力，配合强大的AI算法成为首选的深度传感方法。尤其在工业以及汽车市场的应用场合，ToF解决了很多传统2D技术束手无策的问题。