簡(jiǎn)介

 

現在，許多機器視覺(jué)應用需要高分辨率的3D深度圖像來(lái)替代或增強標準的2D圖成像。這類(lèi)解決方案依靠3D相機來(lái)提供可靠的深度信息以保證安全性，尤其是當機器在極其貼近人附近工作的時(shí)候。在具有挑戰性的環(huán)境中工作時(shí)，例如在具有高反射性表面的大空間中和有其他移動(dòng)物體的環(huán)境中工作時(shí)，相機還需要提供可靠的深度信息。目前的許多產(chǎn)品使用低分辨率測距儀類(lèi)型解決方案來(lái)提供深度信息，以增強2D成像。但是，這種方法有很多限制。對于可從更高分辨率3D深度信息獲益的應用，CW CMOS ToF相機提供了市場(chǎng)上最高性能的解決方案。表1更詳細地說(shuō)明了由高分辨率CW ToF傳感器技術(shù)實(shí)現的一些系統特性。這些系統特性還能運用于消費者使用場(chǎng)景，如視頻背景虛化、面部身份驗證和測量應用，以及汽車(chē)使用場(chǎng)景，如駕駛員狀態(tài)監控和自動(dòng)化艙內配置。

 

表1.連續波飛行時(shí)間系統特性

 

連續波CMOS飛行時(shí)間相機概述

 

深度相機是指每個(gè)像素都會(huì )輸出相機與場(chǎng)景之間距離的相機。一種測量深度的技術(shù)是計算光從相機光源行進(jìn)到反射表面再返回相機所需的時(shí)間。此行程時(shí)間通常被稱(chēng)為飛行時(shí)間(ToF)。

 

圖1.連續波飛行時(shí)間傳感器技術(shù)概要

 

ToF相機由多個(gè)元件組成（參見(jiàn)圖1），包括：

 

●    光源，例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)或邊緣發(fā)射激光二極管，其發(fā)射近紅外域的光。最常用的波長(cháng)為850 nm和940 nm。光源通常是漫射源（泛光照明），其發(fā)出具有一定散度的光束（即照明區或FOI），以照射相機前方的場(chǎng)景。

●    激光驅動(dòng)器，其調制光源發(fā)射的光的強度。

●    具有像素陣列的傳感器，其從場(chǎng)景中收集返回光線(xiàn)并輸出每個(gè)像素的值。

●    鏡頭，其將返回光線(xiàn)聚焦到傳感器陣列上。

●    帶通濾波器，其與鏡頭共置，用于濾除以光源波長(cháng)為中心的窄帶寬之外的光線(xiàn)。

●    處理算法，其將傳感器輸出的原始幀轉換為深度圖像或點(diǎn)云。

 

人們可以使用多種方法來(lái)調制ToF相機中的光線(xiàn)。一種簡(jiǎn)單辦法是使用連續波調制，例如50％占空比的方波調制。在實(shí)踐中，激光波形很少是完美的方波，看起來(lái)可能更靠近正弦波。對于給定光功率，方形激光波形可產(chǎn)生更好的信噪比，但高頻諧波的存在也會(huì )導致深度非線(xiàn)性誤差。

 

CW ToF相機通過(guò)估算發(fā)射信號與返回信號的基波之間的相移 ? = 2πftd 來(lái)測量這兩個(gè)信號之間的時(shí)間差td。深度可以利用相移 (?) 和光速(c)來(lái)估算，公式如下

 

 

其中fmod為調制頻率。

 

傳感器中的時(shí)鐘產(chǎn)生電路控制互補像素時(shí)鐘，而互補像素時(shí)鐘分別控制兩個(gè)電荷儲存元件（Tap A和Tap B）中的光電荷的累積，以及激光驅動(dòng)器的激光調制信號。返回調制光的相位可以相對于像素時(shí)鐘的相位來(lái)測量（參見(jiàn)圖1右側）。像素中的Tap A和Tap B之間的差分電荷與返回調制光的強度和返回調制光相對于像素時(shí)鐘的相位成比例。

 

利用零中頻檢測原理，使用像素時(shí)鐘和激光調制信號之間的多個(gè)相對相位進(jìn)行測量。組合這些測量結果即可確定返回調制光信號中的基波相位。知道該相位即可計算光從光源行進(jìn)到被觀(guān)察的物體再返回到傳感器像素所花的時(shí)間

 

高調制頻率的優(yōu)點(diǎn)

 

在實(shí)踐中，光子散粒噪聲、讀出電路噪聲、多路徑干擾等非理想因素會(huì )導致相位測量誤差。高調制頻率可降低這些誤差對深度估算的影響。

 

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單例子就能輕松理解這一點(diǎn)。假設相位誤差為 ??，那么傳感器測得的相位為 。深度誤差即為：

 

 

因此，深度誤差與調制頻率fmod成反比。圖2以圖形方式顯示了這一點(diǎn)。

 

這個(gè)簡(jiǎn)單公式在很大程度上解釋了為什么高調制頻率的ToF相機與低調制頻率的ToF相機相比深度噪聲更低且深度誤差更小。

 

圖2.相位誤差對距離估計的影響

 

使用高調制頻率的一個(gè)缺點(diǎn)是相位環(huán)繞速度更快，這意味著(zhù)可以準確測量的距離更短。解決此限制的常見(jiàn)辦法是使用多個(gè)以不同速率環(huán)繞的調制頻率。最低調制頻率支持準確測量較長(cháng)距離，但深度誤差（噪聲、多路徑干擾等）也較大，串聯(lián)使用較高調制頻率可降低深度誤差。圖3顯示了一個(gè)使用三種不同調制頻率的示例方案。最終深度通過(guò)不同調制頻率的展開(kāi)相位估計值加權來(lái)估算，為較高調制頻率分配較大的權重。

 

圖3.多頻相位展開(kāi)

 

如果為每個(gè)頻率的權重選擇最優(yōu)值，則深度噪聲與系統中選擇的調制頻率的均方根(rms)成反比。對于恒定深度噪聲預算，提高調制頻率可以減少積分時(shí)間或照明功率。

 

對性能至關(guān)重要的其他系統方面

 

開(kāi)發(fā)高性能ToF相機時(shí)，有許多系統特征需要考慮，這里簡(jiǎn)要介紹其中的一些特性。

 

圖像傳感器

 

圖像傳感器是ToF相機的關(guān)鍵組件。當系統的平均調制頻率提高時(shí)，大多數與深度估計相關(guān)的非理想因素（如偏置、深度噪聲和多路徑偽像）的影響會(huì )減小。因此，傳感器在高調制頻率（數百MHz）時(shí)須具有高解調對比度（區分Tap A和Tap B之間光電子的能力）。傳感器在近紅外波長(cháng)（如850 nm和940 nm）還需要具有高量子效率(QE)，從而降低在像素中產(chǎn)生光電子所需的光功率。最后，低讀數噪聲支持檢測較低返回信號（遠處或低反射率物體），從而有助于提高相機的動(dòng)態(tài)范圍。

 

光照度

 

激光驅動(dòng)器以高調制頻率調制光源（例如VCSEL）。對于給定光功率，為使像素處的有用信號量最大化，光學(xué)波形需要具有快速上升和下降時(shí)間及干凈的邊沿。照明子系統中激光、激光驅動(dòng)器和PCB布局的組合對于實(shí)現這一點(diǎn)至關(guān)重要。還需要進(jìn)行一些標定工作以找到最佳光功率和占空比設置，從而使調制波形的傅立葉變換中的基波幅度最大化。最后，光功率還需要以安全方式傳輸，激光驅動(dòng)器和系統層面應內置一些安全機制以確保始終符合第1類(lèi)眼部安全限值。

 

光學(xué)元件

 

光學(xué)元件在ToF相機中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。ToF相機有一些獨特的特性，因此其在光學(xué)方面有一些特殊要求。首先，光源的照明區域應與鏡頭的視場(chǎng)角匹配以獲得最佳效率。鏡頭本身應具有高孔徑（低f/#），以獲得更好的光收集效率，這一點(diǎn)也很重要。大孔徑可能導致需要權衡其他因素，如暗角、淺景深和鏡頭設計復雜度等。低主射線(xiàn)角的鏡頭設計也有助于減少帶通濾波器帶寬，從而改善環(huán)境光抑制，提高戶(hù)外性能。光學(xué)子系統還應針對所需工作波長(cháng)進(jìn)行優(yōu)化（如防反射涂層、帶通濾波器設計、鏡頭設計），以使吞吐效率最大而雜散光最小。還有許多機械要求，以確保光學(xué)對準在最終應用的期望容差范圍內。

 

電源管理

 

電源管理在高性能3D ToF相機模塊設計中同樣至關(guān)重要。激光調制和像素調制產(chǎn)生短的高峰值電流突發(fā)脈沖，這給電源管理解決方案帶來(lái)了一些約束。傳感器集成電路(IC)的一些特性可以幫助降低成像器的峰值功耗。在系統層面還可以應用電源管理技術(shù)來(lái)幫助降低對電源的要求（例如電池或USB）。ToF成像器的主要模擬電源通常需要一個(gè)具有良好瞬態(tài)響應和低噪聲的穩壓器。

 

圖4.光學(xué)系統架構

 

深度處理算法

 

最后，系統級設計的另一重大部分是深度處理算法。ToF圖像傳感器輸出原始像素數據，需要從這些數據中提取相位信息。該操作需要多個(gè)步驟，包括噪聲濾波和相位展開(kāi)。相位展開(kāi)模塊的輸出是激光器發(fā)出的光行進(jìn)到場(chǎng)景再返回到像素的距離測量結果，常被稱(chēng)為范圍或徑向距離。

 

徑向距離一般被轉換為點(diǎn)云信息，代表特定像素的實(shí)際坐標（X、Y、Z）信息。通常，最終應用僅使用Z圖像映射（景深映射），而不是全部點(diǎn)云。將徑向距離轉換為點(diǎn)云需要了解鏡頭內在特性和失真參數。這些參數是在相機模塊的幾何校準期間估算。深度處理算法還能輸出其他信息，例如有源亮度圖像（返回激光信號的幅度）、無(wú)源2D IR圖像和置信度，這些信息都可以在最終應用中使用。深度處理可以在相機模塊本身中進(jìn)行，或系統中其他地方的主機處理器中進(jìn)行。

 

本文涉及的不同系統級組件概覽如表2所示。這些議題將在未來(lái)的文章中詳細討論。

 

表2.3D飛行時(shí)間相機的系統級組件

 

結論

 

連續波飛行時(shí)間相機是一種強大的解決方案，可為需要高質(zhì)量3D信息的應用提供高深度精度。為確保實(shí)現最佳性能水平，有許多因素需要考慮。調制頻率、解調對比度、量子效率和讀數噪聲等因素決定了圖像傳感器的性能。其他因素是系統級考慮因素，包括照明子系統、光學(xué)設計、電源管理和深度處理算法。所有這些系統級組件對于實(shí)現最高精度3D ToF相機系統至關(guān)重要。后續文章會(huì )更詳細地討論這些系統級議題。

 

 

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