TOF相機是如何測量光子在光源與被測物之間的距離

2018-08-02

技術文章

TOF相機即Time of Fight Camera，是基于光子飛行時間測距進行成像，是一種主動照明成像裝置。通過自身系統發出照明光，對被測場景照明，測量光子在光源與被測物之間的距離。

TOF相機與普通機器視覺成像過程也有類似之處，都是由光源、光學部件、傳感器（TOF芯片）、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。這種技術跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點掃描，而TOF相機則是同時得到整幅圖像的深度信息。

與同屬于非侵入式三維探測、適用領域非常類似的雙目測量系統相比，TOF相機具有根本不同3D成像機理。雙目立體測量通過左右立體像對匹配后，再經過三角測量法來進行立體探測，而TOF相機是通過入、反射光探測來獲取的目標距離獲取。

TOF技術采用主動光探測方式，與一般光照需求不一樣的是，TOF照射單元的目的不是照明，而是利用入射光信號與反射光信號的變化來進行距離測量，所以，TOF的照射單元都是對光進行高頻調制之后再進行發射。

與普通相機類似，TOF相機芯片前端需要一個搜集光線的鏡頭。不過與普通光學鏡頭不同的是這里需要加一個帶通濾光片來只有與照明光源波長相同的光才能進入。同時由于光學成像系統具有透視效果，不同距離的場景為各個不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實際使用時，需要后續處理單元對這個誤差進行校正。

作為TOF的相機的核心，TOF芯片每一個像元對入射光往返相機與物體之間的相位分別進行紀錄。該傳感器結構與普通圖像傳感器類似，但比圖像傳感器更復雜，它包含2個或者更多快門，用來在不同時間采樣反射光線。

因為這種原因，TOF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多，一般100um左右。照射單元和TOF傳感器都需要高速信號控制，這樣才能達到高的深度測量精度。比如，照射光與TOF傳感器之間同步信號發生10ps的偏移，就相當于1.5mm的位移。而當前的CPU 可到3GHz，相應得時鐘周期是300ps，則相應得深度分辨率為45mm。運算單元主要是完成數據校正和計算工作，通過計算入射光與反射光相對相移關系，即可求取距離信息。

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