3D飛行時間，或3D ToF是一種無掃描儀LiDAR（光檢測和測距）技術，通過發射納秒級的高功率光脈沖來捕獲相關場景的深度信息（通常是短距離內）。飛行時間技術在深度測量和物體檢測的領域發揮著重要作用，如工廠自動化、機器人以及物流應用。特別是在安全方面，需要對特定距離的物體或人員進行檢測和響應。例如一旦工人進入危險區域，機械臂可能需要立即停止。

飛行時間技術概述

飛行時間技術利用調制光源（例如激光）主動照射物體，然后用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，即利用數據信號在一對收發機之間往返的飛行時間來測量兩點間的深度。

時間延遲ΔT與發射端和物體之間的兩倍深度（往返）成正比；因此，深度（d） 可以估算為 d= （cΔT）/2，其中c表示光速。

目前有多種不同的測量時間延遲的方法，其中兩種最為常用：連續波（CW）方法和脈沖方法。值得注意的是，目前在市面上使用的絕大多數連續波ToF系統都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統則使用非CMOS傳感器（特別是CCD）。

連續波與脈沖系統的優劣比較

連續波系統是測量發射和接收的調制脈沖之間的相移，而脈沖系統式是測量發射和接收之間脈沖經過的時間，兩者測量模式都各有優點和缺點。

連續波系統的優點

對于對精度要求不高的應用，連續波系統可能比脈沖系統更容易實現，因為它不要求激光脈沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當然在實際中很難復制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴格，那么將需要更高頻率的調制信號，這實際上很難實現。

由于激光信號具有周期性，所以連續波系統測量中的任何相位測量每隔2π會重復一次，意味著會產生一個混疊距離。對于只有一個調制頻率的系統，混疊距離也是最大可測距離。為了應對這個限制，可以使用多個調制頻率來執行相位展開，其中，如果兩個（或多個）具有不同調制頻率的相位測量值與估算的深度一致，就可以確定與物體之間的真實深度。這種多重調制頻率方案也可以用于減少多路徑誤差——多路徑誤差是由于一個物體的反射光擊中另一個物體（或在鏡頭內部反射），然后返回到傳感器時會導致的測量誤差。

連續波系統的溫度校準可能比脈沖系統更容易。隨著系統溫度升高，解調信號和激光信號會因為溫度變化彼此偏移，但這種偏移只會影響測量距離，在整個距離范圍內始終存在偏置誤差，而深度線性度則基本保持穩定。

連續波系統的缺點

雖然與其他傳感器相比，CMOS傳感器具有更高的輸出數據速率，但連續波傳感器需要在多個調制頻率下獲得4個相關函數樣本，并使用多幀處理來計算深度。較長的曝光時間可能會限制系統的整體幀率，或導致運動模糊，因此只能在有限類型的應用中使用。這種更高的處理復雜性可能需要用到外部應用處理器，而這可能超出了應用的需求。

對于更遠距離的測量或者更強環境光的場景，更高的連續光功率（與脈沖系統相比）則十分必要，但這種高強度的連續光信號則可能導致散熱和可靠性的問題。

脈沖系統的優點

脈沖系統通常依賴于在很短的時間窗口內發出高能光脈沖。它具有下列優點：

更加便于設計魯棒性強的系統，因此更適用于戶外。

曝光時間越短，運動模糊的效應越小。

脈沖系統中的信號占空比通常比同等水平的連續波系統要低得多，因此具有以下優點：

對于長期工作的應用，可以降低系統的總功耗。

通過將脈沖群放置在與其他系統不同的幀位置，從而避免來自其他脈沖ToF系統的干擾。這可以通過協調各種系統在一幀中為激光脈沖選擇不同的位置，或者使用外部光電探測器來確定其他系統脈沖的位置來實現。另一種方法是動態隨機排列脈沖群的位置，這樣就無需協調各個系統之間的時序，但這種方法無法完全消除干擾。

由于脈沖時序和寬度不需要一樣，所以可以采用不同的時序方案，支持實現更寬的動態范圍和自動曝光等功能。

脈沖系統的缺點

由于發射光脈沖的脈寬和快門的脈寬需要保持相同，所以系統的時序控制需要非常精確，根據應用需要，可能需要達到皮秒級精度。

為了達到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時必須具有極高的功率。因此，激光驅動器需要實現非常快的上升/下降沿（《1ns）。

與連續波系統相比，其溫度校準過程可能更為復雜，因為溫度的變化會影響單個脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會影響其線性度。

在市場上，一些半導體制造商提供完整的3D飛行時間的解決方案，如ADI將深度處理器、高精度時序發生器和電源管理等集成到一個具有可編程時序和 V 驅動器的 CCD 飛行時間信號處理器——ADDI9036.

ToF解決方案的選擇

如果想搜尋一些與飛行時間相關的器件或開發資料，可以直接在Digi-Key的官網以“ 飛行時間 ”作為關鍵詞進行搜索。

無論是搜索與飛行時間相關處理器的、評估板（AD-96TOF1-EBZ），還是傳感器，都可以輕松找到。

本文小結

3D飛行時間技術在工業、制造和建筑過程中可以實時準確地確定尺寸并進行分類，幫助用戶解決相關應用領域中的難題，在深度測量和物體檢測領域中發揮著重要作用。

責任編輯：haq