【導讀】在自動駕駛、機(ji)器(qi)人(ren)導(dao)航(hang)和(he)增(zeng)強(qiang)現(xian)實(shi)等(deng)前(qian)沿(yan)科(ke)技(ji)領(ling)域(yu)，深(shen)度(du)感(gan)知(zhi)技(ji)術(shu)正(zheng)成(cheng)為(wei)實(shi)現(xian)空(kong)間(jian)認(ren)知(zhi)與(yu)智(zhi)能(neng)交(jiao)互(hu)的(de)核(he)心(xin)引(yin)擎(qing)。這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)通(tong)過(guo)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)物(wu)體(ti)距(ju)離(li)與(yu)空(kong)間(jian)關(guan)係(xi)
，為(wei)機(ji)器(qi)賦(fu)予(yu)"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）技術通過發射調製光並分析反射信號相位差
，在消費級市場占據主導地位。然而傳統iToF係統受限於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將改寫這一格局，其創新方案通過光學係統優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，為工業檢測、智慧物流等長距離場景打開全新可能。

在自動駕駛、機(ji)器(qi)人(ren)導(dao)航(hang)和(he)增(zeng)強(qiang)現(xian)實(shi)等(deng)前(qian)沿(yan)科(ke)技(ji)領(ling)域(yu)

，深(shen)度(du)感(gan)知(zhi)技(ji)術(shu)正(zheng)成(cheng)為(wei)實(shi)現(xian)空(kong)間(jian)認(ren)知(zhi)與(yu)智(zhi)能(neng)交(jiao)互(hu)的(de)核(he)心(xin)引(yin)擎(qing)。這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)通(tong)過(guo)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)物(wu)體(ti)距(ju)離(li)與(yu)空(kong)間(jian)關(guan)係(xi)，為(wei)機(ji)器(qi)賦(fu)予(yu)"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）技術通過發射調製光並分析反射信號相位差
，在消費級市場占據主導地位。然而傳統iToF係統受限於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將改寫這一格局，其創新方案通過光學係統優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

常規的間接飛行時間 (iToF) 技術盡管潛力巨大，但在實際應用中仍麵臨挑戰。為了解決這一難題
，安森美開發了 Hyperlux ID 高性能 iToF 傳感器係列。該係列運用先進的像素和堆疊技術及多種特性

，拓展了 iToF 方法的應用範圍。下麵介紹 iToF 的原理和 Hyperlux ID 感知係列的主要特性。

圖 1. Hyperlux ID 獲取的深度點雲圖像

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製的照射光的反射波並計算相移來確定深度。為了確定相移，采用四個調製信號進行測量
，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gen據ju相xiang移yi來lai計ji算suan距ju離li。相xiang位wei周zhou期qi由you調tiao製zhi頻pin率lv決jue定ding，相xiang位wei具ju有you周zhou期qi性xing。當dang與yu目mu標biao的de距ju離li超chao過guo一yi個ge周zhou期qi時shi，就jiu會hui出chu現xian相xiang位wei模mo糊hu問wen題ti，即ji無wu法fa判pan斷duan測ce得de的de相xiang位wei屬shu於yu哪na個ge周zhou期qi。例li如ru，若ruo調tiao製zhi頻pin率lv為wei 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製頻率的一個周期以內（0 至 2π）。

Hyperlux ID 的主要特性

提升分辨率和距離精度

安森美開發了名為 Hyperlux ID 的 iToF 傳感器係列。該係列包含AF0130 和 AF0131 兩款產品

，具有 120 萬像素的高分辨率。此分辨率相當於目前市麵上大多數 iToF 傳感器分辨率 (VGA) 的四倍
，因而能夠實現更精確的測量。

此外，這些產品還支持像素合並。如果 VGA 分辨率足夠
，那麼將 120 萬像素進行像素合並，可以提高 VGA 傳感器的靈敏度。距離分辨率取決於調製頻率。與市麵上的常規方案相比，我們的產品可以使用相對較高的 200MHz 調製頻率。因此，我們的產品性能可擴展，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（減小係統尺寸並降低成本）

常規 iToF 傳感器不具備根據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 或處理器執行。這些 FPGA 或處理器將 iToF chuanganqishuchudemeigexiangweidepuguangjieguocunchuzaizhencunchuqizhong，bingzaishoujidaosuoyousigexiangweideshujuhouzhixingshendujisuan。yinci
，kehuxuyaoquebaoxitongjubeizugoudechulinenglihecunchuqilaizhichi iToF 計算。

我們的新產品 AF0130 集成了深度計算功能。客戶無需準備大量的處理資源，係統也得以簡化。如果之前使用了 FPGA 等deng專zhuan用yong計ji算suan器qi件jian，那na麼me現xian在zai可ke以yi移yi除chu這zhe些xie器qi件jian，有you助zhu於yu減jian小xiao攝she像xiang頭tou的de外wai形xing尺chi寸cun。如ru果guo過guo去qu使shi用yong了le高gao性xing能neng處chu理li器qi，現xian在zai可ke以yi將jiang計ji算suan資zi源yuan分fen配pei給gei其qi他ta應ying用yong
，或huo者zhe換huan用yong更geng具ju成cheng本ben效xiao益yi的de處chu理li器qi。當dang分fen辨bian率lv較jiao高gao時shi，我wo們men的de新xin方fang案an會hui更geng加jia有you效xiao。

iToF 需要至少四個相位的數據，因此與常規圖像傳感器相比，它會產生四倍以上的數據輸出。由於計算在 iToF 傳(chuan)感(gan)器(qi)端(duan)進(jin)行(xing)
，數(shu)據(ju)速(su)率(lv)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)。它(ta)還(hai)能(neng)提(ti)升(sheng)電(dian)路(lu)板(ban)設(she)計(ji)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。此(ci)外(wai)
，如(ru)果(guo)客(ke)戶(hu)希(xi)望(wang)使(shi)用(yong)自(zi)己(ji)的(de)計(ji)算(suan)算(suan)法(fa)，我(wo)們(men)還(hai)提(ti)供(gong)未(wei)集(ji)成(cheng)計(ji)算(suan)功(gong)能(neng)的(de) AF0131。

減少運動偽影

常規 iToF 傳感器在每次相位曝光後
，都會將數據讀出到外部處理器。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運動偽影。Hyperlux ID 內(nei)置(zhi)存(cun)儲(chu)器(qi)，可(ke)以(yi)保(bao)留(liu)必(bi)要(yao)的(de)相(xiang)位(wei)數(shu)據(ju)。這(zhe)裏(li)的(de)技(ji)術(shu)突(tu)破(po)在(zai)於(yu)，所(suo)有(you)四(si)相(xiang)信(xin)息(xi)都(dou)直(zhi)接(jie)存(cun)儲(chu)在(zai)像(xiang)素(su)中(zhong)。曝(pu)光(guang)結(jie)果(guo)原(yuan)封(feng)不(bu)動(dong)地(di)存(cun)儲(chu)在(zai)像(xiang)素(su)存(cun)儲(chu)器(qi)內(nei)。因(yin)此(ci)，下(xia)一(yi)相(xiang)位(wei)曝(pu)光(guang)可(ke)以(yi)在(zai)很(hen)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)內(nei)開(kai)始(shi)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)了(le)四(si)個(ge)相(xiang)位(wei)的(de)總(zong)曝(pu)光(guang)時(shi)間(jian)，運(yun)動(dong)偽(wei)影(ying)得(de)以(yi)大(da)幅(fu)減(jian)少(shao)。

圖 4. 減少運動偽影機製（1 幀）

長深度距離和高環境光抑製

· 雙頻模式：常規 iToF 傳感器的典型感知範圍為 5 到 10 米左右，而且由於易受環境光幹擾，因此通常僅限於室內使用。前麵提到過
，iToF 可(ke)測(ce)量(liang)的(de)深(shen)度(du)範(fan)圍(wei)一(yi)般(ban)為(wei)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)的(de)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)。為(wei)了(le)擴(kuo)大(da)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)融(rong)合(he)兩(liang)種(zhong)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)的(de)方(fang)法(fa)。由(you)於(yu)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)區(qu)分(fen)的(de)最(zui)大(da)距(ju)離(li)為(wei)這(zhe)兩(liang)個(ge)頻(pin)率(lv)的(de)最(zui)小(xiao)公(gong)倍(bei)數(shu)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)由(you)來(lai)已(yi)久(jiu)，但(dan)常(chang)規(gui) iToF 傳chuan感gan器qi處chu理li四si個ge相xiang位wei時shi，要yao求qiu每mei幀zhen改gai變bian一yi次ci調tiao製zhi頻pin率lv，再zai由you係xi統tong合he並bing。結jie果guo

，最zui終zhong的de幀zhen速su率lv會hui減jian半ban，創chuang建jian單dan個ge深shen度du幀zhen的de曝pu光guang時shi間jian會hui延yan長chang。Hyperlux ID 有you能neng力li在zai單dan幀zhen內nei處chu理li兩liang個ge調tiao製zhi頻pin率lv
，因yin此ci無wu需xu外wai部bu處chu理li，幀zhen速su率lv不bu會hui降jiang低di。此ci外wai
，通tong過guo使shi用yong像xiang素su存cun儲chu器qi，兩liang個ge調tiao製zhi頻pin率lv的de八ba個ge相xiang位wei曝pu光guang所suo需xu的de時shi間jian可ke以yi縮suo短duan。因yin此ci，不bu僅jin感gan知zhi範fan圍wei得de到dao擴kuo大da

，而er且qie運yun動dong偽wei影ying也ye得de以yi有you效xiao減jian少shao。（不過
，此款產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：假設用於發射的激光是 940nm 波段的激光。在該頻段，常規 iToF 產品的典型 QE（量子效率）為 20% 至 30%，但 Hyperlux ID 得益於安森美先進的像素技術，已達到 40% 以yi上shang。隨sui著zhe測ce量liang距ju離li增zeng加jia，反fan射she波bo的de能neng量liang減jian小xiao
，因yin此ci靈ling敏min度du的de改gai善shan非fei常chang有you助zhu於yu提ti高gao深shen度du測ce量liang距ju離li和he精jing度du。此ci外wai，在zai雙shuang頻pin下xia，由you於yu像xiang素su合he並bing
，最zui大da分fen辨bian率lv變bian為wei VGA，但這也改善了傳感器靈敏度
，有助於提高深度測量距離和精度，就像 QE 一樣。

· 增強環境光抑製：一般來說，iToF 容易受到陽光等環境光的幹擾。發射激光以外的光源也會影響測量，導致結果不準確。因此，iToF 通常僅限於室內使用。我們的產品增強了環境光抑製能力。即使在陽光下
，它也能獲得準確的深度結果。

圖 6. 環境光抑製效果

混合模式：常規 iToF 傳(chuan)感(gan)器(qi)使(shi)用(yong)調(tiao)製(zhi)的(de)連(lian)續(xu)光(guang)波(bo)，要(yao)求(qiu)快(kuai)門(men)在(zai)測(ce)量(liang)期(qi)間(jian)保(bao)持(chi)打(da)開(kai)，而(er)這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)環(huan)境(jing)光(guang)成(cheng)分(fen)不(bu)斷(duan)在(zai)像(xiang)素(su)中(zhong)積(ji)累(lei)。此(ci)外(wai)，若(ruo)要(yao)測(ce)量(liang)更(geng)遠(yuan)的(de)目(mu)標(biao)，必(bi)須(xu)提(ti)高(gao)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，激(ji)光(guang)能(neng)量(liang)非(fei)常(chang)強(qiang)，會(hui)照(zhao)射(she)到(dao)附(fu)近(jin)的(de)目(mu)標(biao)上(shang)，產(chan)生(sheng)強(qiang)烈(lie)的(de)反(fan)射(she)光(guang)，可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)像(xiang)素(su)飽(bao)和(he)。因(yin)此(ci)，進(jin)行(xing)大(da)範(fan)圍(wei)測(ce)量(liang)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)。Hyperlux ID caiyongleansenmeidequanjukuaimenjishuhezhuanlihunhejishu。tashiyongjiyuceliangjulidezhuanmentiaozhi
，bingqiejinzaibiyaoshidakaiquanjukuaimen，congeryouxiaojianshaolehuanjingguangchengfendejilei。zheyangkeyizuidaxiandudiliyongxiangsulingmindu
，shixiancongjinjulidaoyuanjulidekuanfanweiceliang。muqian，shineiheshiwaidounenghuodechaoguo 30 米的測量結果。

圖 7. 30 米長距離模式，室內和室外場景

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），都能實現更準確的測量，通過應用於工業、商業、消費領域的各種深度感知場景
，有助於提高深度感知性能。

圖 8. 應用示例

綜上所述，安森美的高性能 iToF 產品係列作為全新 Hyperlux ID 係列的一部分
，顛覆了關於 iToF 方法的傳統觀念。 該係列產品拓寬了 3D 感知的應用範圍，並有助於提升工業自動化
、機器人、安防等眾多領域的自動化水平。

作者：安森美

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