Digi-Key帶您了解3D飛時測距(ToF)技術概念
- 吳冠儀／台北訊
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3D時差測距，或3D ToF是一種無掃描器的LiDAR(光檢測和測距)技術，透過發射納秒級的高功率光脈衝來捕獲相關場景的深度資訊(通常是在短距離內)。時差測距技術在深度測量和物體檢測的領域發揮著重要作用，如工廠自動化、機器人以及物流應用。特別是在安全方面，需要對特定距離的物體或人員進行檢測和回應，例如一旦工人進入危險區域，機械臂可能需要立即停止。
時差測距技術利用調製光源(例如雷射)主動照射物體，然後用對雷射波長敏感的感測器捕捉反射光，即利用數據訊號在一對收發器之間往返的光線飛行時間，來測量兩點間的深度。
如圖一所示，時間延遲ΔT與發射端和物體之間的兩倍深度(往返)成正比；因此，深度(d)可以估算為d=(cΔT)/2，其中c代表光速。
目前有多種不同的測量時間延遲的方法，其中有兩種最為常用：連續波(CW)方法和脈衝方法。值得注意的是，目前在市面上使用的絕大多數連續波ToF系統都使用CMOS感測器，脈衝ToF系統則使用非CMOS感測器(通常是CCD感測器)。
連續波系統是測量發射和接收的調製脈衝之間的相移，而脈衝系統是測量發射和接收之間脈衝經過的時間，兩者測量模式都各有其優點和缺點。
對於對精度要求不高的應用，連續波系統可能比脈衝系統更容易實現，因為它不要求雷射脈衝非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當然在實際應用中很難複製完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴格，那麼將需要更高頻率的調製訊號，這在實際上很難實現。
由於雷射訊號具有週期性，所以連續波系統測量中的任何相位測量每隔2π會重複一次，這意味著會產生一個混疊距離。對於只有一個調製頻率的系統，混疊距離也是最大可測距離。
為了應對這個限制，可以使用多個調製頻率來執行相位展開，其中，如果兩個(或多個)具有不同調製頻率的相位測量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實深度。這種多重調製頻率方案也可以用於減少多路徑誤差，多路徑誤差是由於一個物體的反射光擊中另一個物體(或在鏡頭內部反射)，然後返回到感測器時會導致的測量誤差。
連續波系統的溫度校準可能比脈衝系統更容易。隨著系統溫度升高，解調訊號和雷射訊號會因為溫度變化彼此偏移，但這種偏移只會影響測量距離，在整個距離範圍內始終存在偏置誤差，而深度線性度則基本保持穩定。
雖然與其他感測器相比，CMOS感測器具有更高的輸出數據速率，但連續波感測器需要在多個調製頻率下獲得4個相關函數樣本，並使用多幀處理來計算深度。較長的曝光時間可能會限制系統的整體幀率，或導致運動模糊，因此只能在有限類型的應用中使用。這種更高的處理複雜性，可能需要用到外部應用處理器，而這可能超出了應用的需求。
對於更遠距離的測量或者更強環境光的場景，更高的連續光功率(與脈衝系統相比)則十分必要，但這種高強度的連續光訊號則可能導致散熱和可靠性的問題。
脈衝系統通常依賴於在很短的時間窗口內發出高能量光脈衝。它具有下列優點：更加便於設計穩固性強的系統，因此更適用於戶外，曝光時間越短，運動模糊的效應越小。
脈衝系統中的訊號佔空比通常比同等水準的連續波系統要低得多，因此具有以下優點：對於長期工作的應用，可以降低系統的整體功率消耗，以及透過將脈衝群放置在與其他系統不同的幀位置，進而避免來自其他脈衝ToF系統的干擾。
這可以透過協調各種系統在一幀中為雷射脈衝選擇不同的位置，或者使用外部光電探測器來確定其他系統脈衝的位置來實現。另一種方法是動態隨機排列脈衝群的位置，這樣就無需協調各個系統之間的時序，但這種方法無法完全消除干擾。
由於脈衝時序和寬度不需要一樣，所以可以採用不同的時序方案，支援實現更寬的動態範圍和自動曝光等功能。
因發射光脈衝的脈寬和快門的脈寬需要保持相同，所以系統的時序控制需要非常精確，根據應用需要，可能需要達到皮秒級精度。為了達到最大效率，雷射脈衝寬度必須非常短，但同時必須具有極高的功率。因此，雷射驅動器需要實現非常快的上升/下降沿(<1ns)。
與連續波系統相比，其溫度校準過程可能更為複雜，因為溫度的變化會影響單個脈衝寬度，不僅影響偏置和增益，還會影響其線性度。
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