LV010-ToF的基本原理

一、基本原理

如图所示，一个光源发射一束光，并记录发射时间。这束光反射在目标上并被接收器捕获，记录接收时间。这两个时间点之间的差异，记为 t，可计算出距离 d = 光速 c * t /2。

二、光源

1. 脉冲光源

对于使用脉冲光源的 ToF 相机，它会测量脉冲光线从光源传递到物体上然后再反射回来所需的时间。由于光速是已知的，这样就可以轻松用数学方法计算出所有点的距离。

2. 常量光源

使用常亮光源时，相机会记录反射光的相移。通过调制振幅来产生已知频率的正弦光源，检测器可以根据这个原理来识别相移。

3. 波长选择

虽然 TOF 的原理听上去很简单，发出一个光脉冲，然后检测什么时候返回了一个光脉冲，通过计算这个中间经过的时间，就可以知道距离。但是传感器本身是一直在进行接收能量的，如何知道传感器在某个时间点 t 接收到的光就是发出去的光呢？

（1）发射足够亮的光（相对于噪声）以达到足够的信噪比，传感器接收到高于环境光的能量就可以知道这是发射出去的光。如果是电子消费品，用于生活环境中，自然环境光强范围十分大，波长范围也很广，同时一个电子消费品很难发射非常强的光强，一方面要考虑激光安全，要根据 IEC60825 的要求限制激光的能量，另一方面也要考虑耗电的问题。所以选择合适的波长发射光十分重要。

（2）找一个应用场景中不存在的波长或者能量最低的波长，这样就可以在这个波长发射相对弱一些的光脉冲，然后传感器前面 放置窄带滤波片，这样，传感器只能收到这个波长的光。

（3）对发射的光进行编码，让其有可以识别的特征，比如发射光亮暗亮暗亮暗，接收端接收到这个形式的光的时候，就知道这是发射出去的光了，这就像黑夜中的 SOS 手电筒闪烁。

太阳光的光谱如下图所示，黄色为大气层上方的太阳光谱，红色为经过大气吸收后的太阳光谱，在近红外区，可以看到有氧气和水蒸气的吸收峰（在某些特定波长下，水蒸气能够强烈吸收太阳辐射。这种吸收作用减少了到达地面的太阳辐射量，因此环境光强会变小）。这些吸收峰的波长位置理论上都可以作为 TOF 系统应用的波长。大部分 TOF 应用都会选择 850nm 和 940nm，

（1）这两个波长的发光源器件可以使用 VCSEL 实现，再长的波长可能需要 EEL 实现；

（2）接收端传感器对 850nm 是最敏感的，可以提供最佳的信噪比，940nm 的感光度会比 850nm 低，如果波长更长，传感器的制造更难，电子消费品中很少选择。

（3）人眼对近红外(NIR)波长范围的光不敏感，但人眼可以感知 850 nm 的光，看不到 940 nm 的光

（4）虽然可见光谱区域中的太阳光最强，但 NIR 区域中的能量仍然很大。阳光（更一般地说是环境光）会增加景深噪声，缩短 ToF 摄像头的有效距离。幸运的是，由于大气吸收，阳光辐照度在 920 nm 至 960 nm 区域中急剧下降，与 850 nm 区域相比要小一半以上。在室外应用中，工作在 940 nm 的 ToF 系统可以更好地抑制环境光，实现更好的景深测量性能。

二、dTOF(direct Time-of-Flight)

1. 简介

director time of flight，直接测量距离法，顾名思义，是直接测量光子飞行时间的方法。其关键组件，单光子雪崩二极管（SPAD），灵敏度足以检测单个光子。简单来说该种传感器具有探测单个光子的灵敏度，只要有一个光子击中 SPAD，SPAD 就会最终输出一个脉冲。SPAD 输出这个脉冲后，可以很快复位，准备接收下一个光子。

可是即使在 850nm 和 940nm，环境光也是存在的，这意味，只要 SPAD 开始计数，就可能不停的有光子会撞击 SPAD 并令其激活并输出脉冲，那如何分辨接收到的光子是发射端发出，被目标物反射回来的这个光子呢。首先要使用合适的窄带滤波+衰减，让大部分场景的环境光不能透过滤光片，以降低噪声，但是在 850nm 的衰减滤波是固定的，不可能满足在所有光照场景下，刚刚好环境光强度不会激发 SPAD，然后发射光能量刚好有光子进入；而且依赖于滤光片和衰减，测量误差可能非常大。

2. 测量方法

dTOF 使用的方法叫 时间相关单光子计数法(TCSPC，Time correlated single photon counting)，名字听起来很复杂，实际上就是“数光子出现的时间”。基本原理图如下：

假设我们使用发射端 VCSEL 快速发射 100 个激光脉冲，记录 SPAD 每次收到脉冲的时间 Δt，我们就有了 100 个 Δt，见左图；把这些不同 Δt 出现的次数画成直方图，其中某个时间段的 Δt 出现频率最高，就是最可能的物体位置造成的 Δt，而其他的 Δt 出现的地方可能是 SPAD 自己的噪声，环境光噪声，光线多径反射后返回传感器的噪声等。

在实际应用中，VCSEL 可以达到非常高的调制脉冲速度，VCSEL 的每个脉冲宽度可以在 ps 到 ns 级别；SPAD 也可以实现非常快的相应速度。举一个例子，实际模组中，可以实现用 200ns 发射 100 个 1ns 的脉冲，占空比 50%；每 1ms 进行一次这样的发射，得到一个距离结果；每 10ms 求 10 次结果的平均反馈给操作系统使用；如此该 TOF 可以实现 100 次每秒的测距。

3. 核心组件

3.1 激光驱动

Laser Driver 是发射端电路的主要部分，负责驱动 Laser，控制电路发出数字脉冲信号，一般使用该信号控制 MOSFET 进行开关，控制激光发射。

3.2 激光器

在 dTOF 中，激光器负责发射激光。采用激光的主要原因是激光光谱窄，能量强度高，调制速度快，而且易于集成。电子消费品的 dTOF 应用中，主要使用的是垂直腔表面发射激光 Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)。在一些其他平台或者应用中，尤其是车载激光雷达中，会更多的使用功率更高的 EEL（Edge Emitting Laser）和光纤激光器。一般，电子消费品使用的 dTOF 会选择 850nm 或者 940nm 的激光。（根据第一章我们的说明，850nm 和 940nm 处的太阳光谱都有水的吸收峰。940nm 的环境光强更小，所以噪声小；但是传感器在 850nm 的量子效率（QE）是 940nm 处的两倍，接收信噪比更好。）

数字电路产生的脉冲方波输入给激光驱动，变成实际的光脉冲后，在时域上可以看到由完美方波，变成了不那么完美的方波（图示里是画的比较夸张，实际上，VCSEL 的脉冲调制性能已经非常好了）。由于激光驱动的响应速度，这里在时域上产生了一个不确定性的参数，即为 δ-laser(图中的 δ-t)

3.3 发射端光学

发射端一般为一个简单的光学镜头，把激光能量发射到需要的视场角内，有一些应用也会使用准直镜+DOE 等元器件，把 VCSEL 发出的光线先准直，然后分成很多束光线指向不同的视场角方向。

3.4 接收端光学

接收端光学零部件需要的主要是收集期望测量的视场角内的光线，这种镜头 F 数越小越好，相对照度越高越好，同时镜片上可以进行一定的镀膜增强透光性，同时接收端会使用尽量窄带的滤光片，去滤除其他波长的杂光干扰。

3.5 接收传感器 SPAD

dTOF 应用中主要使用的接收传感器为 single-photon avalanche diode (SPAD)单光子雪崩二极管或 Silicon photomultipliers(SiPM)硅光子光电倍增管，他们的主要区别是每一个 SiPM 像素里包含多个 SPAD 像素。不同于传统 CMOS 传感器，对于光的接收时积分形式的，既接收某一时间段内的光强，转换为电流；SPAD 如其名字所描述的，可以对单一光子进行相应，只需要一个光子就能触发一次强的雪崩，产生电流信号。可以说，SPAD 输出的就是有光 1 和没光 0 两种状态（见下图）。SPAD 传感器芯片每次被光子激活后，电子淬灭电路降低二极管中的电压使其在短时间内低于阈值电压，因此雪崩停止，经过一段恢复时间，探测器可以探测其它的光子，这个恢复时间决定了传感器的识别速度。

SPAD 的像素相对于传统 CMOS 图像传感器来说还无法做的很小，比如一款传统图像传感器，三星的 GN1，50MP，1/1.31”大小，像素大小 1.2um。而 SPAD 的像素大小很大，这是由于其需要各种电路对 SPAD 进行复位造成的。比如根据机构的分析，iPhone 中使用的 Lidar 是 Sony 的 SPAD 传感器，只有 30K 的像素数，每个像素 10um 大小。所以 SPAD 的传感器限制了 dTOF 的空间分辨率。

信号被 SPAD 接收后，会再产生一个一个时间不确定性因素 δ-tSPAD，这个是 SPAD 的响应速度决定的。

3.6 TDC 电路

Time-to-digital converter(TDC)，时间数字转换器，是将模拟信号转换成以时间表示的数字信号的电路，TDC 输出了每一个脉冲与所设起始点相比被记录下来的时间。这些脉冲被记录下来后，转换成直方图，然后通过比较哪个时间的直方数量最大，确认目标物的位置。TDC 电路的精度也会对时域信号产生影响，引入了一个不确定性 δ-tTDC。通过 TDC 电路后的电路，都是数字电路。

4. 脉冲调制（Pulsed Modulation）

为什么需要调制？这就要提到前面的问题：如何知道传感器在某个时间点 t 接收到的光就是发出去的光呢？在解决这个问题的时候已经解答过了，其实就是通过调制光信号来提高测量的精度、抗干扰能力和效率。

脉冲调制方案的照射光源一般采用方波脉冲调制，这是因为它用数字电路来实现相对容易。接收端的每个像素都是由一个感光单元（如光电二极管）组成，它可以将入射光转换为电流，感光单元连接着多个高频转换开关（下图的 G0，G1）可以把电流导入不同的可以储存电荷(下图 S0，S1)的电容里。

相机上的控制单元打开光源然后再关闭，发出一个光脉冲。在同一时刻，控制单元打开和关闭接收端的电子快门。接收端接收到的电荷 S0 被存储在感光元件中。

然后，控制单元第二次打开并关闭光源。这次快门打开时间较晚，即在光源被关闭的时间点打开。新接收到的电荷 S1 也被存储起来。具体过程如下图所示。

因为单个光脉冲的持续时间非常短，此过程会重复几千次，直到达到曝光时间。然后感光传感器中的值会被读出，实际距离可以根据这些值来计算。记光的速度为 c，tp 为光脉冲的持续时间， S0 表示较早的快门收集的电荷， S1 表示延迟的快门收集的电荷，那么距离 d 可以由如下公式计算：

d = \frac{c}{2} * t_{p} * \frac{S 1}{S 0 + S 1}

最小的可测量距离是：在较早的快门期间 S0 中收集了所有的电荷，而在延迟的快门期间 S1 没有收集到电荷，即 S1 = 0。代入公式会得出最小可测量距离 d = 0。

最大的可测量的距离是：在 S1 中收集了所有电荷，而在 S0 中根本没有收集到电荷。然后，该公式得出 d = 0.5 x c x tp。因此最大可测量距离是通过光脉冲宽度来确定的。例如，tp = 50 ns，代入上式，得到最大测量距离 d = 7.5m。

5. 优缺点

优点

（1）测量方法简单，响应较快。

（2）由于发射端能量较高，所以一定程度上降低了背景光的干扰。

缺点

（1）发射端需要产生高频高强度脉冲，对物理器件性能要求很高。

（2）对时间测量精度要求较高。

（3）环境散射光对测量结果有一定影响。