TOF深度相机(二)

在上一篇文章中介绍了三种主流的3D测距方案和基本原理，这篇文章主要分析TOF的相关的原理、分析方法以及应用场景。

TOF测距方案也可分为i-TOF(indirect TOF)和d-TOF( direct TOF )，i-TOF又包含CW-iTOF和PL-iTOF两种，下面就这几种技术作详细介绍。

Part  2

1. i-TOF原理

i-TOF又称为间接测量法，通过传感器在不同时间窗口采集到能量值的比例关系，解析出信号相位，间接测量发射信号和接收信号的时间差，进而得到深度。i-TOF 根据调制方式的不同，可分为两种：连续波调制（CW-iTOF）和脉冲调制（PL-iTOF）,分别发射连续的正弦信号和重复的脉冲信号；前者是通过解析正弦信号相位解析深度，而后者是解析脉冲信号相位来解析深度。

1.1  连续波调制（CW-iToF ）

通常采用正弦波调制方式，接收和发射端正弦波的相位偏移和物体距离摄像头的距离成正比, 通过相位偏移来测量距离

相位偏移 (φ）和 深度(D) 是由积分能量值从上述公式C1、C2、C3、C4解析得到,这几个积分能量值，是四个不同相位延迟的接收窗口采集到的能量，分别对应于在相位采样点0°、90°、180°、270°采样，即：

其中A为接收到正弦信号的幅度。

精度方面，CW-iToF精度主要受制于随机噪声和量化噪声，前者与接收光信号信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）成反比，后者与正弦波调制频率成反比。因此，为了提升精度，CW-iToF一般采用大功率短积分时间采样，提高接受光信号SNR；同时提高调制频率以抑制量化噪声。

量程方面，CW-iToF可解析的相位范围为[0~2],因此其最大量程为Dmax=c/(2fm)。即频率越高，精度越高，量程也越小。超过量程的深度，将出现周期性的相位卷绕（Phase wrap），测量值错误的落在[0~Dmax]内。

Figure 3‑1 CW-iTOF工作示意图

3.1.2脉冲调制 (PL-iToF)

在PL-iToF 系统中，激光光源发射带有振幅信息A和时间TP的光脉冲，根据光的飞行速度C，可计算得到最远探测距离dMAX=TP*C/2。反射光信号、背景光以及探测器的噪声集成在三个不同时间段内（见Figure 3‑2）。PL-iToF通过双采样技术提高精度，同激光脉冲同步的第一个窗口W0，同激光信号正交的第二个窗口 W1，是累积反射光信号的两部分，且每个窗口与目标距离成比例；第三个窗口WB在没有光脉冲发射时开启，仅收集背景光信号。如果C0,C1,CB分别表示在窗口W0,W1,WB的光子数，目标距离D，接收到的有效光强度 AR，背景光B可由以下公式得到

Figure 3‑2 PL-iToF的基本工作原理

3.1.3 CW-iToF与PL-iToF对比

CW-iToF在工作过程中，不论目标物体的距离是多少，系统都采集了完整时长的反射光。相比之下，PL-iToF在两个窗口内采集的信号的信噪比与距离直接相关。在有背景噪声的情况下，如果目标距离的很近，W1窗口的能量几乎为零，因此，W1信噪比非常差；类似的，在较远的距离，W0中的信号很弱，导致W0的信噪比差。这种效应会导致PL-iToF在近和远距离都有比较大的误差。

相比CW-iToF连续波调试方式，PL-iToF 解算深度更简单、计算量更低，对于平台后端处理能力要求也相应更低。然而，PL-iToF 的精度取决于发光次数，发光次数越多，精度越高，但同时也会带来功耗的增加。即使在相同平均功耗的情况下，PL-iToF不仅精度弱与CW-iToF，而且对于背景噪声和暗噪声更加敏感[5]。

因此，现下的主要手机厂商，包括华为、三星、Oppo等，以及ToF芯片厂商，包括索尼，三星，英飞凌等都采用了CW-iToF的方案。

3.2 d-ToF原理

d-ToF即direct ToF，相比于i-ToF技术用测量信号的相位来间接地获得光的来回飞行时间，d-ToF (direct time-of-flight) 技术直接测量光脉冲的发射和接收的时间差。由于激光安全的限制以及消费类产品的功耗限制，ToF相机发射的脉冲能量有限，但是需要覆盖完整的视场区域。光脉冲在经过反射回到接收器时，能量密度降低了超过一万亿倍。于此同时，环境光作为噪声，会干扰接收器对于信号的检测和还原。在这种情况下，探测器获取的信噪比不足以直接还原脉冲的模拟信号，进而导致直接测量深度存在很大的误差。因此，d-ToF方法需要有灵敏度极高的光探测器来检测微弱的光信号。

单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)具有探测单个光子的灵敏度。SPAD在工作状态是一个偏置了高逆向电压的二极管。反向偏压在器件内部形成了一个强大的电场。当一个光子被SPAD吸收转化为一个自由电子时，这个自由电子被内部的电场加速，获得足够的能量撞击其他原子时产生自由电子和空穴对。而新产生的载流子继续被电场加速，撞击产生更多的载流子。这种几何放大的雪崩效应使得SPAD具有几乎无穷大的增益，从而输出一个大电流脉冲[6]，实现对于单个光子的探测。

Figure 3‑3 SPAD雪崩效应示意图. (a)雪崩二极管示意图，光子在吸收区被吸收，转化为自由电子。自由电子在穿过PN结的过程中被电场加速。在获得足够能量时，在放大区产生雪崩效应，使得器件输出一个大电流脉冲。(b)SPAD的CMOS示意图。具体的、结构参数取决于器件采用的CMOS工艺。

d-ToF技术采用SPAD来实现高灵敏度的光探测，并且采用时间相关单光子技术方法(Time-Correlated Single-Photon Counting, TCSPC)来实现皮秒级的时间精度[8]。光脉冲的第一个被SPAD捕获的光子即可出发SPAD，产生电流脉冲信号。系统的时间数字转换器(Time-to-Digital Converter, TDC)可以转换这个电流脉冲相对于发射时间的延时。SPAD捕获一段脉冲内哪一个瞬间到达的光子具有一定的随机性，这种随机性的概率与光脉冲在该瞬间的能量近似成正比。因此，d-ToF相机重复很多次（比如数千次）发射和探测相同的脉冲信号即可获得每次探测的电流脉冲延时的统计分布。这个统计直方图即恢复了发射脉冲能量随着时间的变化，进而得到了脉冲来回的飞行时间。

Figure 3‑4 TCSPC方法. 系统控制激光器发射出激光脉冲，通过光学系统投射到目标物体表面。反射回的光脉冲被接受器的光学系统成像到d-ToF传感器上。光脉冲触发SPAD，输出电流脉冲。TDC根据电流脉冲的时间来输出数字化的脉冲时序。一次成像会重复几千到几十万次的脉冲，从而获得TDC输出的统计直方图，重建光脉冲及获得飞行时间。