【導讀】在自動駕駛、機器人導航和增強現(xiàn)實等前沿科技領域，深度感知技術正成為實現(xiàn)空間認知與智能交互的核心引擎。這項技術通過精確測量物體距離與空間關系，為機器賦予"立體視覺"，使3D 測繪、物體識別、空間感知成為可能。作為深度感知的關鍵技術路徑，iToF（間接飛行時間）技術通過發(fā)射調(diào)制光并分析反射信號相位差，在消費級市場占據(jù)主導地位。然而傳統(tǒng)iToF系統(tǒng)受限于探測距離與精度矛盾，始終難以突破30米應用瓶頸。安森美最新技術突破或?qū)⒏膶戇@一格局，其創(chuàng)新方案通過光學系統(tǒng)優(yōu)化與信號處理算法革新，成功將iToF的有效探測距離延伸至30米級，同時保持毫米級測距精度，為工業(yè)檢測、智慧物流等長距離場景打開全新可能。
在自動駕駛、機器人導航和增強現(xiàn)實等前沿科技領域，深度感知技術正成為實現(xiàn)空間認知與智能交互的核心引擎。這項技術通過精確測量物體距離與空間關系，為機器賦予"立體視覺"，使3D 測繪、物體識別、空間感知成為可能。作為深度感知的關鍵技術路徑，iToF（間接飛行時間）技術通過發(fā)射調(diào)制光并分析反射信號相位差，在消費級市場占據(jù)主導地位。然而傳統(tǒng)iToF系統(tǒng)受限于探測距離與精度矛盾，始終難以突破30米應用瓶頸。安森美最新技術突破或?qū)⒏膶戇@一格局，其創(chuàng)新方案通過光學系統(tǒng)優(yōu)化與信號處理算法革新，成功將iToF的有效探測距離延伸至30米級，同時保持毫米級測距精度，為工業(yè)檢測、智慧物流等長距離場景打開全新可能。
安森美的 iToF 方案：Hyperlux? ID
常規(guī)的間接飛行時間 (iToF) 技術盡管潛力巨大，但在實際應用中仍面臨挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，安森美開發(fā)了 Hyperlux ID 高性能 iToF 傳感器系列。該系列運用先進的像素和堆疊技術及多種特性，拓展了 iToF 方法的應用范圍。下面介紹 iToF 的原理和 Hyperlux ID 感知系列的主要特性。
圖 1. Hyperlux ID 獲取的深度點云圖像
iToF 的原理
如前所述，間接飛行時間 (iToF) 法通過接收以特定頻率調(diào)制的照射光的反射波并計算相移來確定深度。為了確定相移，采用四個調(diào)制信號進行測量，其相位分別偏移 0°、90°、180° 和 270°。因此，至少需要四次曝光才能獲得單個深度幀信息。
圖 2. iToF 計算
iToF 根據(jù)相移來計算距離。相位周期由調(diào)制頻率決定，相位具有周期性。當與目標的距離超過一個周期時，就會出現(xiàn)相位模糊問題，即無法判斷測得的相位屬于哪個周期。例如，若調(diào)制頻率為 60MHz，則一個周期為 2.5 米。在這種情況下，測量距離 3 米將被解釋為 0.5 米。因此，最大可測量深度一般在調(diào)制頻率的一個周期以內(nèi)（0 至 2π）。
Hyperlux ID 的主要特性
提升分辨率和距離精度
安森美開發(fā)了名為 Hyperlux ID 的 iToF 傳感器系列。該系列包含AF0130 和 AF0131 兩款產(chǎn)品，具有 120 萬像素的高分辨率。此分辨率相當于目前市面上大多數(shù) iToF 傳感器分辨率 (VGA) 的四倍，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的測量。
此外，這些產(chǎn)品還支持像素合并。如果 VGA 分辨率足夠，那么將 120 萬像素進行像素合并，可以提高 VGA 傳感器的靈敏度。距離分辨率取決于調(diào)制頻率。與市面上的常規(guī)方案相比，我們的產(chǎn)品可以使用相對較高的 200MHz 調(diào)制頻率。因此，我們的產(chǎn)品性能可擴展，既支持短距離、高精度感知，也支持長距離、高分辨率感知。
圖 3. 近距離高精度感知示例
集成深度計算功能（減小系統(tǒng)尺寸并降低成本）
常規(guī) iToF 傳感器不具備根據(jù)四個相位的曝光結果來確定深度距離的計算能力。確定深度距離的過程必須由外部 FPGA 或處理器執(zhí)行。這些 FPGA 或處理器將 iToF 傳感器輸出的每個相位的曝光結果存儲在幀存儲器中，并在收集到所有四個相位的數(shù)據(jù)后執(zhí)行深度計算。因此，客戶需要確保系統(tǒng)具備足夠的處理能力和存儲器來支持 iToF 計算。
我們的新產(chǎn)品 AF0130 集成了深度計算功能?？蛻魺o需準備大量的處理資源，系統(tǒng)也得以簡化。如果之前使用了 FPGA 等專用計算器件，那么現(xiàn)在可以移除這些器件，有助于減小攝像頭的外形尺寸。如果過去使用了高性能處理器，現(xiàn)在可以將計算資源分配給其他應用，或者換用更具成本效益的處理器。當分辨率較高時，我們的新方案會更加有效。
iToF 需要至少四個相位的數(shù)據(jù)，因此與常規(guī)圖像傳感器相比，它會產(chǎn)生四倍以上的數(shù)據(jù)輸出。由于計算在 iToF 傳感器端進行，數(shù)據(jù)速率可以顯著降低。它還能提升電路板設計的靈活性。此外，如果客戶希望使用自己的計算算法，我們還提供未集成計算功能的 AF0131。
減少運動偽影
常規(guī) iToF 傳感器在每次相位曝光后，都會將數(shù)據(jù)讀出到外部處理器。從第一次 φ0 曝光到 φ270 曝光完成，需要一定的時間。如果目標物體在此期間移動，則感知結果中會出現(xiàn)運動偽影。Hyperlux ID 內(nèi)置存儲器，可以保留必要的相位數(shù)據(jù)。這里的技術突破在于，所有四相信息都直接存儲在像素中。曝光結果原封不動地存儲在像素存儲器內(nèi)。因此，下一相位曝光可以在很短的時間內(nèi)開始，從而減少了四個相位的總曝光時間，運動偽影得以大幅減少。
圖 4. 減少運動偽影機制（1 幀）
長深度距離和高環(huán)境光抑制
· 雙頻模式：常規(guī) iToF 傳感器的典型感知范圍為 5 到 10 米左右，而且由于易受環(huán)境光干擾，因此通常僅限于室內(nèi)使用。前面提到過，iToF 可測量的深度范圍一般為調(diào)制頻率的一個周期。為了擴大測量范圍，可以使用融合兩種調(diào)制頻率的方法。由于使用兩個調(diào)制頻率，因此可以區(qū)分的最大距離為這兩個頻率的最小公倍數(shù)。這種方法由來已久，但常規(guī) iToF 傳感器處理四個相位時，要求每幀改變一次調(diào)制頻率，再由系統(tǒng)合并。結果，最終的幀速率會減半，創(chuàng)建單個深度幀的曝光時間會延長。Hyperlux ID 有能力在單幀內(nèi)處理兩個調(diào)制頻率，因此無需外部處理，幀速率不會降低。此外，通過使用像素存儲器，兩個調(diào)制頻率的八個相位曝光所需的時間可以縮短。因此，不僅感知范圍得到擴大，而且運動偽影也得以有效減少。（不過，此款產(chǎn)品使用雙頻時的最大分辨率為 VGA。）
圖 5. 雙頻模式
· 提高靈敏度：假設用于發(fā)射的激光是 940nm 波段的激光。在該頻段，常規(guī) iToF 產(chǎn)品的典型 QE（量子效率）為 20% 至 30%，但 Hyperlux ID 得益于安森美先進的像素技術，已達到 40% 以上。隨著測量距離增加，反射波的能量減小，因此靈敏度的改善非常有助于提高深度測量距離和精度。此外，在雙頻下，由于像素合并，最大分辨率變?yōu)?VGA，但這也改善了傳感器靈敏度，有助于提高深度測量距離和精度，就像 QE 一樣。
· 增強環(huán)境光抑制：一般來說，iToF 容易受到陽光等環(huán)境光的干擾。發(fā)射激光以外的光源也會影響測量，導致結果不準確。因此，iToF 通常僅限于室內(nèi)使用。我們的產(chǎn)品增強了環(huán)境光抑制能力。即使在陽光下，它也能獲得準確的深度結果。
圖 6. 環(huán)境光抑制效果
混合模式：常規(guī) iToF 傳感器使用調(diào)制的連續(xù)光波，要求快門在測量期間保持打開，而這會導致環(huán)境光成分不斷在像素中積累。此外，若要測量更遠的目標，必須提高激光功率。在這種情況下，激光能量非常強，會照射到附近的目標上，產(chǎn)生強烈的反射光，可能導致像素飽和。因此，進行大范圍測量非常困難。Hyperlux ID 采用了安森美的全局快門技術和專利混合技術。它使用基于測量距離的專門調(diào)制，并且僅在必要時打開全局快門，從而有效減少了環(huán)境光成分的積累。這樣可以最大限度地利用像素靈敏度，實現(xiàn)從近距離到遠距離的寬范圍測量。目前，室內(nèi)和室外都能獲得超過 30 米的測量結果。
圖 7. 30 米長距離模式，室內(nèi)和室外場景
Hyperlux ID 間接飛行時間 (iToF) 技術的應用
Hyperlux ID 提升了距離感知的分辨率和精度，無論近距離還是遠距離（最遠 30 米），都能實現(xiàn)更準確的測量，通過應用于工業(yè)、商業(yè)、消費領域的各種深度感知場景，有助于提高深度感知性能。
圖 8. 應用示例
綜上所述，安森美的高性能 iToF 產(chǎn)品系列作為全新 Hyperlux ID 系列的一部分，顛覆了關于 iToF 方法的傳統(tǒng)觀念。 該系列產(chǎn)品拓寬了 3D 感知的應用范圍，并有助于提升工業(yè)自動化、機器人、安防等眾多領域的自動化水平。
作者：安森美
推薦閱讀：
意法半導體拓展新加坡“廠內(nèi)實驗室” 深化壓電MEMS技術合作
電解電容技術全景解析：從核心原理到國產(chǎn)替代戰(zhàn)略
