​深度相机(TOF)的工作原理​

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

深度相机(TOF)的工作原理

TOF由什么组成？

一、TOF相机采用主动光探测，通常包括以下几个部分：

1、照射单元

照射单元需要对光源进行脉冲调制之后再进行发射，调制的光脉冲频率可以高达100MHz。因此，在图像拍摄过程中，光源会打开和关闭几千次。各个光脉冲只有几纳秒的时长。相机的曝光时间参数决定了每次成像的脉冲数。

要实现精确测量，必须精确地控制光脉冲，使其具有完全相同的持续时间、上升时间和下降时间。因为即使很小的只是一纳秒的偏差即可产生高达15 c m的距离测量误差。

如此高的调制频率和精度只有采用精良的LED或激光二极管才能实现。

一般照射光源都是采用人眼不可见的红外光源。

2、光学透镜

用于汇聚反射光线，在光学传感器上成像。不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。这样做的目的是抑制非相干光源减少噪声，同时防止感光传感器因外部光线干扰而过度曝光。

3、成像传感器

TOF的相机的核心。该传感器结构与普通图像传感器类似，但比图像传感器更复杂，它包含2个或者更多快门，用来在不同时间采样反射光线。因此，TOF芯片像素比一般图像传感器像素尺寸要大得多，一般100um左右。

4、控制单元

相机的电子控制单元触发的光脉冲序列与芯片电子快门的开/闭精确同步。它对传感器电荷执行读出和转换，并将它们引导至分析单元和数据接口。

5、计算单元

计算单元可以记录精确的深度图。深度图通常是灰度图，其中的每个值代表光反射表面和相机之间的距离。为了得到更好的效果，通常会进行数据校准。

二、TOF是如何测距的呢？

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。深度相机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G1，G2）可以把电流导入不同的可以储存电荷(下图S1，S2)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芯片上的电子快门。由光脉冲以这种方式产生的电荷S0存储在感光元件上。

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 × 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。

三、TOF会受什么影响？

1、多重反射。

前面说过，深度相机镜头上会有一个带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入，这样可以抑制非相干光源提高信噪比。这种方式确实能够比较有效地过滤掉人造光源，但是，我们常见的日光几乎能够覆盖整个光谱范围，这其中包括和照明光源一样的波长，在某些情况下（如夏天的烈日）这部分光强可以达到很大，会导致感光传感器出现过度曝光。因此相机如果想在这种条件下正常工作，仍然需要额外的保护机制。

4、温度

电子元件的精度受温度的影响。所以当温度波动时会影响电子元件的性能，从而影响到脉冲调制的精度。前面说过一纳秒的脉冲偏差即可产生高达15 c m的距离测量误差，因此相机要做好散热，这样才能保证测量精度。

四、那TOF相机最后输出的是什么呢？