作者：英飛凌電源與傳感事業部的ToF專家技術團隊
著眼於最新趨勢，本期英家大咖將由來自英飛凌電源與傳感事業部的ToF專家技術團隊來科普——飛行時間ToF 傳感器的工作原理，以及是如何在應用領域開闢無限新可能的。
本期大咖：
光發射出去後，會被物體反射回來，並且被相機檢測到。根據檢測距離的不同，發射的光①與反射回來的光②會有時間差。由於光速是恆定的，所以距離可以通過這個時間差來進行計算：
目前市面上的 ToF 產品按技術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)
目前英飛凌採用的是iToF的continuous wave技術路徑：
通過發射特定頻率的調製光，檢測反射調製光和發射的調製光之間的相位差，以測量飛行時間。iToF具有整體系統電路相對簡單、比較容易集成、成本低、解析度較高等優勢；
那麼ToF相機到底由什麼組成？
ToF相機採用主動光探測，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行脈衝調製之後再進行發射，調製的光脈衝頻率可以高達250MHz（IRS9102 Driver IC）。
因此，在圖像監測距離的過程中，光源會打開和關閉很多次。
如此高的調製頻率和精度只有採用精良的LED或雷射二極體才能實現。目前主流的方案都是使用垂直腔面發射雷射器（VCSEL：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）
今天主流的VCSEL採用的是人眼不可見的紅外光源。940nm雷射或者850nm的雷射，由於人眼的角膜(Cornea)與結膜(Conjunctiva)沒有受到如一般皮膚角質層的保護，最容易受到光束及其他環境因素的侵襲。雷射的光強度很高，以致眼瞼的反射動作產生保護作用之前，就已對眼睛造成傷害了。
所以若光束太強，就會傷害視網膜。雷射光的高準直性 (Collimation)，使光線能會聚於一個很小的點，在視網膜上約為 10 至20um(比頭髮還細）。
因此，400nm到 1400nm之間的雷射，對視網膜具有特別高的危險性，這個波段稱為視網膜危險區 (Retinal hazard region)。
由於雷射擁有危險性，因此保證雷射的安全性非常重要。英飛凌搭載了REAL3™技術的全系Image Sensor都內置了獨立的硬體雷射安全監測電路。以及從軟體層面，有著非常嚴苛的配置驗證功能， 這樣才能從硬體以及軟體兩個方面，全方位保證雷射安全。
2、光學透鏡
用於匯聚反射光線，在光學傳感器上成像。不過與普通光學鏡頭不同的是這裡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相機的核心。該傳感器結構與普通圖像傳感器類似，但比圖像傳感器更複雜：它包含2個或者更多快門，用來在不同時間採樣反射光線。
我們以英飛凌的ToF Sensor為例，英飛凌ToF技術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：攝像頭模組發射調製紅外光到待測物體，或至整個場景，通過REAL3™ 圖像傳感器，即ToF成像器捕獲發射光，就得到了原始的3D圖像信息。這時，再通過測量發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，並形成兩張可視化的2D灰階振幅圖與3D深度信息圖，進而為後續的應用驗算提供準確和可靠的數據。
4、控制單元
相機的電子控制單元觸發的光脈衝序列與晶片電子快門的開/閉精確同步。它對傳感器電荷執行讀出和轉換，並將它們引導至分析單元和數據接口。
AR/VR技術目前已經在家居、機器人等多種領域開始應用對於AR應用，響應速度是關鍵指標之一，當從人的前庭感到運動到眼睛看到相應圖像的時間差超過20ms時，人就會感到暈眩，除去顯示和系統計算的時間，攝像頭成像時間需要低於10ms。
目前3D成像和傳感器模組包括ToF、雙目測距和結構光三種關鍵技術。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，軟體複雜度高且精度一般，但速度較慢。結構光技術通過紅外光將大約幾萬個點陣投射到物體上，用數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技術通過光源的飛行時間測量深度信息，軟體集成度更低且速度更快，比結構光的材料成本低，儘管其精度遜與結構光，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應用的最佳選擇。這也意味著，隨著AR應用市場規模的增長，核心技術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圖像傳感器經過專門優化，可以解決功耗的痛點，從而增強拍照效果和AR/MR功能。該傳感器比前幾代產品能耗降低40%，從而提高了智能設備的電池使用壽命。這是AR/MR遊戲的關鍵，例如ToF攝像頭長時間處於開啟狀態。由於具有較高的SoC集成度，因此採用這種新款3D ToF圖像傳感器的攝像頭設計可以將體積對比上一代縮小35%，從而為智能設備設計提供了更大的空間設計的自由度，進而提高了成本效率。新款3D ToF圖像傳感器及系統旨在提供最遠10米的深度數據。完全可以滿足當下的AR/VR的應用距離的要求。
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