ToF相机学习笔记之基本知识

ToF相机属于一种非接触式光学传感器，通过计算发射激光的飞行时间获取对应像素的深度信息。就非接触式距离测量方法而言，其分类可用下表表示如下：

1.1 ToF传感器基础

一个逐点式的ToF传感器采用了雷达原理估计场景点的径向距离。简单来说，就是通过计算光从发射到经场景点反射后的飞行时间。为了测量整个场景表面而不是几个场景点，很多距离测量系统集成了一个逐点式ToF传感器在一个场景扫描机构上。不同于那些通过逐点扫描方式获取场景几何结构的ToF传感器，矩阵式深度传感器通过将很多ToF传感器集成到一个阵列面上，形成一个矩阵。这样通过矩阵式ToF拍摄一张场景图片即可实时获取整个场景的表面几何结构信息。

除了以上这些简单的概念性原理，通过time of flight实现深度值测量方法的背后还隐藏着许多很有挑战性的技术。例如ToF相机需要5ps来覆盖1mm的路径，那么就需要一个时钟来对5ps的单步时长进行计量。不同的时钟技术选择导致了不同的ToF相机类型。当前市面上大部分是基于连续波（continuous  wave)强度调制方法，还有一些是基于光学快门的方法，这里就不做过多的介绍。

1.2 CW ToF传感器的工作原理

连续波长深度传感器通过向场景表面发送一个正弦波信号，振幅为A_E，调制频率为f_mod:

信号s_E(t)被场景表面反射回来并被传感器接收。当信号到达被接收后，由于能量衰减，其振幅衰减为A_R，并产生了一个相位延迟ΔΦ，于是反射后的信号变为

发射信号和接收信号如下图所示

 

其中，A_R+B_R(下面表示为B)被称为强度或偏移，B_R是一个由于背景光引起的干扰。于是反射回来的信号可等价表示为

上式中有三个未知量A, B 和ΔΦ，其中A和B是IR射线振幅，ΔΦ是一个纯数字的相位值。最重要的未知量就是ΔΦ，因为ΔΦ是一个跟测量距离ρ相关的量，故有

或等价表示为

2 ToF相机使用注意事项

2.1 温度要求

当使用SR4000/SR4500时，官方建议相机所处的使用环境温度应不高于50摄氏度，过多的热量会显著地增加相机的热敏误差。另外，相机的曝光（积分）时间增加，也会是LED的激活时间被延长，由此会带来更多的工作热量。为了减少这部分热量，可以考虑采用触发模式来代替连续采集模式。

2.2 电压

SR4500供电电压为24V直流电，上下浮动10%。如果工作电压小于最小电压，相机的测量精度会下降。如果供电电压过高，则会使用相机发热，最终也会影响测量精度。