探索ToF 傳感器在機器人領域的工作原理、應用和優勢。

"ToF" 是 "Time of Flight" 的縮寫，中文通常翻譯為“飛行時間”。ToF傳感器利用光（通常是紅外光）發射到目標并測量其反射回來所需的時間來確定對象與傳感器之間的距離。這種技術可以為各種應用提供深度信息，例如3D成像、機器人導航、手勢識別和增強現實。

機器人的應用環境變得更加復雜和動態，這需要開發更靈活、更先進的視覺和定位功能。在不受控制的環境中運行的機器人的一項基本功能是識別周圍環境。實現這一目標的一種解決方案是使用具有聚光和泛光照明選項的飛行時間 (ToF) 成像傳感器。

ToF 傳感器使機器人應用程序能夠對其環境進行成像并創建周圍環境的 3D 地圖。讓機器人知道哪些物體靠近，并獲得有關它們的大小、形狀和邊緣的詳細信息。例如，機器人真空吸塵器可以使用此信息來了解它是否可以行駛到沙發或櫥柜下方并清潔那里。

本文探討了 ToF 成像傳感器的工作原理、其應用以及對機器人的好處。

ToF 3D圖像傳感器介紹及工作原理

ToF 是一種主動測量，這意味著 ToF 成像儀旁邊的激光源發射調制光，而 ToF 傳感器接收場景中物體反射的光。這些應用中通常使用紅外 (IR) 光，例如 940nm，因為人類看不見它。目前市場上的 ToF 成像傳感器基于兩種測量原理：直接 ToF 和間接 ToF。

直接ToF 測量

對于直接 ToF 測量，激光源發射短激光脈沖，ToF 傳感器測量發射激光脈沖和反射激光脈沖之間的延遲。脈沖發射和傳感器檢測之間的時間延遲（飛行時間）被轉換為距離測量值，以重建 3D 場景。用于直接 ToF 測量的成像傳感器更加復雜，因為需要快速探測器 (SPAD)，并且必須計算片上直方圖以實現與物體表面相關的必要峰值查找。

直接 ToF 傳感器的簡單機制

間接ToF 測量

對于間接 ToF 測量，激光源通常為垂直腔表面發射激光器 (VCSEL)，發射波長在 850 至 940 nm 之間的調制紅外 (IR) 光。VCSEL 優于 LED，因為它們在 80 至 100 MHz 的調制頻率下工作時呈現出更好的結果，并且具有窄光譜2。ToF 傳感器通過其鏡頭捕獲反射信號，每個像素將發射的調制信號與從場景接收的捕獲信號進行比較。快速全局快門 ToF 像素收集與發射信號重疊的光量以及稍后到達的光量。然后根據該信息確定兩個信號之間的相移。對于間接 ToF，所謂的相位圖像是傳感器的輸出。根據傳感器和應用，使用基于 2、3 和 4 相的方法。間接ToF的優點是不需要片上處理。

探測器交替收集來自感興趣物體的光。

ToF傳感器輸出數據

在這兩種測量方法中，測量的數據都會在芯片上轉換為數字表示形式，即間接 ToF 的相位圖像和直方圖，然后找到直接 ToF 的峰值。然后，該表示形式通過 MIPI-CSI-2 或并行 (PIF) 接口作為原始 3D 數據傳輸到應用處理器 (AP)。通過處理原始數據，AP 提供兩個圖像：深度圖和幅度圖像。深度圖包含每個像素的深度信息，即該像素處物體與相機之間的距離。幅度圖像包含幅度信息，代表物體在該位置的亮度。復雜的系統還可以提供附加圖像，例如指示每個像素的質量度量的置信度圖像。

飛行時間框圖。圖片來源：英飛凌

根據應用的不同，ToF 傳感器可以與 RGB 圖像結合使用。在這種情況下，算法可以組合 RGB 和深度圖像，以獲得場景及其對象的 3D 表示，其中包含深度和顏色信息。這允許先進的應用功能，例如物體識別，讓機器人決定該物體是否是一個不應在駕駛時與周圍保持安全距離而觸摸的玩具，或者是一個應在附近清潔的柜子。或者通過面部生物識別技術以可靠、安全的方式識別人員。

ToF 傳感器的優點

ToF 傳感器取代了接觸式和接近式傳感器，具有高精度，可通過大量可用像素來檢測小物體。與接觸式傳感器相比，ToF 傳感器的另一個優點是沒有機械移動部件，從而減少了維護需求。特別是對于機器人來說，現有的 LDS（激光距離掃描）傳感器體積龐大、價格昂貴，并且具有機械旋轉鏡。ToF 成像傳感器更小、更具成本效益并且不需要機械移動部件。

由于其環境光魯棒性，ToF 傳感器還可以在黑暗和強烈陽光條件下使用。此外，這些傳感器具有較寬的距離范圍，能夠檢測 10m 之外的物體。此功能使其可用于室內和室外應用。最后，較小的相機尺寸可以集成到較小的機器人中，例如消費機器人真空吸塵器或無人機。