【導讀】在自動駕駛、機器人導航和增強現實等前沿科技領域，深度感知技術正成為實現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）技術通過發射調制光并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系統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將改寫這一格局，其創新方案通過光學系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、機器人導航和增強現實等前沿科技領域，深度感知技術正成為實現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）技術通過發射調制光并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系統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將改寫這一格局，其創新方案通過光學系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，但在實際應用中仍面臨挑戰。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 根據相移來計算距離。相位周期由調制頻率決定，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制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 傳感器系列。該系列包含AF0130 和 AF0131 兩款產品，具有 120 萬像素的高分辨率。此分辨率相當于目前市面上大多數 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制頻率。與市面上的常規方案相比，我們的產品可以使用相對較高的 200MHz 調制頻率。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（減小系統尺寸并降低成本）
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 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據后執行深度計算。因此，客戶需要確保系統具備足夠的處理能力和存儲器來支持 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，系統也得以簡化。如果之前使用了 FPGA 等專用計算器件，那么現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。由于計算在 iToF 傳感器端進行，數據速率可以顯著降低。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 iToF 傳感器在每次相位曝光后，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 內置存儲器，可以保留必要的相位數據。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。因此，下一相位曝光可以在很短的時間內開始，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）
長深度距離和高環境光抑制
· 雙頻模式：常規 iToF 傳感器的典型感知范圍為 5 到 10 米左右，而且由于易受環境光干擾，因此通常僅限于室內使用。前面提到過，iToF 可測量的深度范圍一般為調制頻率的一個周期。為了擴大測量范圍，可以使用融合兩種調制頻率的方法。由于使用兩個調制頻率，因此可以區分的最大距離為這兩個頻率的最小公倍數。這種方法由來已久，但常規 iToF 傳感器處理四個相位時，要求每幀改變一次調制頻率，再由系統合并。結果，最終的幀速率會減半，創建單個深度幀的曝光時間會延長。Hyperlux ID 有能力在單幀內處理兩個調制頻率，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，最大分辨率變為 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。
· 增強環境光抑制：一般來說，iToF 容易受到陽光等環境光的干擾。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 通常僅限于室內使用。我們的產品增強了環境光抑制能力。即使在陽光下，它也能獲得準確的深度結果。
圖 6. 環境光抑制效果
混合模式：常規 iToF 傳感器使用調制的連續光波，要求快門在測量期間保持打開，而這會導致環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制，并且僅在必要時打開全局快門，從而有效減少了環境光成分的積累。這樣可以最大限度地利用像素靈敏度，實現從近距離到遠距離的寬范圍測量。目前，室內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，通過應用于工業、商業、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 方法的傳統觀念。 該系列產品拓寬了 3D 感知的應用范圍，并有助于提升工業自動化、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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