着眼于最新趋势，本期英家大咖将由来自英飞凌电源与传感事业部的ToF专家技术团队来科普——飞行时间ToF 传感器的工作原理，以及是如何在应用领域开辟无限新可能的。

ToF是Time of Flight的简写，直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像，是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，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。

光发射出去后，会被物体反射回来，并且被相机检测到。

根据检测距离的不同，发射的光①与反射回来的光②会有时间差。

由于光速是恒定的，所以距离可以通过这个时间差来进行计算：

目前市面上的 ToF 产品按技术路线可以分为两大类：

1.dToF(直接飞行时间，direct-ToF)

2.iToF(间接飞行时间，indirect-ToF)

目前英飞凌采用的是iToF的continuous wave技术路径：

通过发射特定频率的调制光，检测反射调制光和发射的调制光之间的相位差，以测量飞行时间。iToF具有整体系统电路相对简单、比较容易集成、成本低、分辨率较高等优势

那么ToF相机到底由什么组成？

ToF相机采用主动光探测，通常包括以下几个部分：

1、照射单元

照射单元需要对光源进行脉冲调制之后再进行发射，调制的光脉冲频率可以高达250MHz（IRS9102 Driver IC）。

因此，在图像监测距离的过程中，光源会打开和关闭很多次。

如此高的调制频率和精度只有采用精良的LED或激光二极管才能实现。目前主流的方案都是使用垂直腔面发射激光器（VCSEL：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）

今天主流的VCSEL采用的是人眼不可见的红外光源。940nm激光或者850nm的激光，由于人眼的角膜(Cornea)与结膜(Conjunctiva)没有受到如一般皮肤角质层的保护，最容易受到光束及其他环境因素的侵袭。激光的光强度很高，以致眼睑的反射动作产生保护作用之前，就已对眼睛造成伤害了。

所以若光束太强，就会伤害视网膜。激光光的高准直性 (Collimation)，使光线能会聚于一个很小的点，在视网膜上约为 10 至20um(比头发还细）。

因此，400nm到 1400nm之间的激光，对视网膜具有特别高的危险性，这个波段称为视网膜危险区 (Retinal hazard region)。

由于激光拥有危险性，因此保证激光的安全性非常重要。英飞凌搭载了REAL3™技术的全系Image Sensor都内置了独立的硬件激光安全监测电路。以及从软件层面，有着非常严苛的配置验证功能， 这样才能从硬件以及软件两个方面，全方位保证激光安全。

2、光学透镜

用于汇聚反射光线，在光学传感器上成像。不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。这样做的目的是抑制非相干光源减少噪声，同时防止感光传感器因外部光线干扰而过度曝光。

3、成像传感器

ToF相机的核心。该传感器结构与普通图像传感器类似，但比图像传感器更复杂：它包含2个或者更多快门，用来在不同时间采样反射光线。

我们以英飞凌的ToF Sensor为例，英飞凌ToF技术使用红外光源就能直接测量每个像素中的深度和幅度信息：摄像头模组发射调制红外光到待测物体，或至整个场景，通过REAL3™ 图像传感器，即ToF成像器捕获发射光，就得到了原始的3D图像信息。这时，再通过测量发射光与接收光之间的幅度值以及相位差，即可“提炼”完整场景的灰度信息以及高度可靠的深度信息，并形成两张可视化的2D灰阶振幅图与3D深度信息图，进而为后续的应用验算提供准确和可靠的数据。

4、控制单元

相机的电子控制单元触发的光脉冲序列与芯片电子快门的开/闭精确同步。它对传感器电荷执行读出和转换，并将它们引导至分析单元和数据接口。

AR/VR技术目前已经在家居、机器人等多种领域开始应

对于AR应用，响应速度是关键指标之一，当从人的前庭感到运动到眼睛看到相应图像的时间差超过20ms时，人就会感到晕眩，除去显示和系统计算的时间，摄像头成像时间需要低于10ms。

目前3D成像和传感器模组包括ToF、双目测距和结构光三种关键技术。双目测距是模仿人眼的2个2D传感器组合在一起，需要两个以上的摄像头，软件复杂度高且精度一般，但速度较慢。结构光技术通过红外光将大约几万个点阵投射到物体上，用数量庞大的点阵得到物体的深度信息，精度高但有效距离有限。

而ToF技术通过光源的飞行时间测量深度信息，软件集成度更低且速度更快，比结构光的材料成本低，尽管其精度逊与结构光，但也能够满足人脸识别、AR/VR 所需要的精度，集成了高速度和低价格，因此TOF是AR应用的最佳选择。这也意味着，随着AR应用市场规模的增长，核心技术ToF也会随之增长。

与之前的3D ToF图像传感器相比，第六代REAL3 3D ToF图像传感器经过专门优化，可以解决功耗的痛点，从而增强拍照效果和AR/MR功能。该传感器比前几代产品能耗降低40%，从而提高了智能设备的电池使用寿命。这是AR/MR游戏的关键，例如ToF摄像头长时间处于开启状态。由于具有较高的SoC集成度，因此采用这种新款3D ToF图像传感器的摄像头设计可以将体积对比上一代缩小35%，从而为智能设备设计提供了更大的空间设计的自由度，进而提高了成本效率。新款3D ToF图像传感器及系统旨在提供最远10米的深度数据。完全可以满足当下的AR/VR的应用距离的要求。

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