设计高精度连续波飞行时间系统：全面概述

连续波 (CW) 飞行时间 (ToF) 相机提供无与伦比深度精度，成为现代机器视觉、汽车安全、消费应用必备。本文介绍 CW CMOS ToF 相机系统核心架构，解释为何其超越传统 3D 成像方案。后续文章将深入探讨照明子系统、光学、电源管理、深度处理算法。

引言

高分辨率 3D 深度成像现为安全关键机器视觉先决条件。可靠深度数据确保机器人工作单元和协作机器人在大型反射空间或移动物体中安全靠近人类作业。传统低分辨率测距仪无法满足这些需求。相比之下，CW CMOS ToF 相机提供市场最高性能，实现视频虚化、人脸认证、驾驶员警觉监测、车内配置等应用。

表 1. 连续波飞行时间系统特性

连续波 CMOS 飞行时间相机概览

深度相机通过计时板载光源到场景再返回的往返时间测量距离。传感器像素记录返回信号，基于相位算法转换为深度图。

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图 1. 连续波飞行时间传感器技术概览。（来源：Analog Devices）

典型 CW ToF 系统包含：

• 近红外光源 (VCSEL 或边缘发射激光二极管)，850 nm 或 940 nm，通常泛光照明。
• 高频调制光源的激光驱动器。
• 像素阵列解调返回信号的 CMOS 传感器。
• 窄带滤波器镜头以拒绝环境光。
• 从原始帧提取深度的处理逻辑。

调制可为连续波，常近似 50% 占空比方波。方波改善信噪比但引入高频谐波可能偏移深度。相机测量发射接收信号相位偏移 φ，按下式计算深度：

高调制频率减弱光子散粒噪声、读出噪声、多径干扰影响，降低深度误差 (见图 2)。但也缩短无模糊范围，因相位更快绕回。多频相位展开——用一低频波覆盖大范围、数高频波求精度——克服此权衡 (图 3)。

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图 2. 相位误差对距离估计影响。（来源：Analog Devices）

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图 3. 多频相位展开。（来源：Analog Devices）

为各频率选最优权重使深度噪声与所选调制频率均方根成反比，允许给定噪声预算下减少积分时间或照明功率。

其他对性能关键的系统层面

以下组件必须为峰值性能工程化：

图像传感器
数百 MHz 高解调对比度、850/940 nm 高量子效率、低读出噪声，对深度精度必不可少。

照明
快上升/下降时间、纯净波形、Class-1 眼部安全控制确保最大可用信号并符合安全标准。

光学
低主光线角、大光圈镜头配窄带滤波器最大化集光、抑制环境光，对户外使用关键。

电源管理
低噪声、良好瞬态响应稳压器提供激光和像素调制所需高峰值电流，不损电池寿命。

深度处理算法
鲁棒噪声滤波、相位展开、几何校准将原始像素数据转精准深度图、点云、辅助图像 (振幅、置信度)。算法可模组内或外部处理器运行。

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图 4. 光学系统架构。（来源：Analog Devices）

系统级组件总结

表 2. 3D 飞行时间相机系统级组件

结论

连续波 ToF 相机是高精度深度成像首选方案。通过优化调制频率、传感器解调对比度、量子效率、读出噪声，设计师可达卓越精度。系统级选择——照明、光学、电源、算法——必须同等严谨以释放 CW ToF 技术全部潜力。详细产品信息访问 analog.com/tof。

作者

Paul O'Sullivan 是 Analog Devices 加州圣克拉拉系统工程师。具测试开发和先进技术项目背景，自 2019 年起领导 3D ToF 相机模组开发和校准。联系：paul.osullivan@analog.com。

Nicolas Le Dortz 是 Analog Devices ToF 技术组系统工程经理。指导跨职能团队交付高性能 ToF 相机系统。联系：nicolas.ledortz@analog.com。

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