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【36】解密TOF相机,它是怎样用光速测量短距离的?

本主题由 大象 于 2020-11-28 13:57 加入精华

【36】解密TOF相机,它是怎样用光速测量短距离的?

大家知道,光速是每秒约30万公里,即C=300000000米/秒。如果想用光速测量距离,一般要非常远才行。

然而,现在出现了一款相机,可以集成在手机内,用光测量几米到几十米的短距离。假设要测15米的距离,光到达被测物体再返回,来回为2倍的被测距离,即30米,那么光飞行所需要的时间是:

30/300000000=0.0000001秒=0.0001毫秒=0.1微秒=100纳秒

 
图1:光测距原理

用相机进行纳秒级别的测量?这在以前很难想象,它是怎么实现的呢?


一、100纳秒是什么概念呢?

人类眨眼的时间是几百毫秒;典型照相机的最短曝光时间为一毫秒;炸药引线烧完到爆炸时间为几十微秒。

如果我们采用传统的测量方法,很难将100纳秒测量准确,掐表的误差已经远超100纳秒了。

不过我们常说的5G信号,其信号周期就只有0.2纳秒。高速的电子电路,有可能识别超快光速的细微差别。


二、怎样才能将100纳秒测量出来

能不能用很高频的光波去测量距离呢?TOF相机就是这样工作的。

TOF(Time of flight)直译为“飞行时间”。其测距原理是通过给目标连续发送经过调制的高频红外光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

我们用图简单说明一下:

 
图2:发射光脉冲及反射光脉冲

图2中,第一行是发射出来的光脉冲信号,其宽度为tp,我们可以设定tp=200纳秒。

接收端以下几种可能:

情形1:第二行的反射光脉冲1是个特例:也就是发射出去的光脉冲没有任何延迟,全部被接收,所以这时候测量距离为0。

情形2:第四行的反射光脉冲3也是个特例:也就是发射出去的光脉冲在发射完毕后才回来,也就是这个光脉冲延迟超过了tp的时间,即200纳秒。上面算过光100纳秒走30米,那么这个光脉冲走过的来回路程就是60米,测量距离为30米。超过这个距离,相机就分辨不出了,所以这是设计的最远测量距离。

情形3:重点在第三行,它的反射光脉冲2刚好位于tp时间内,分成两部分,t1和t2。如果这时候有示波器,我们能很容易测量出来脉冲延迟时间t2,假设是t2=150纳秒,那么可以很容易算出光走过的路程:150纳秒x光速=2倍的被测距离=45米。

虽然t2是从发射脉冲结束开始测量的,不过无论从脉冲开始测量,还是从脉冲的中间测量,总的延迟都是等于t2。

问题是,我们不可能照相的时候带一个高速示波器。那么怎样才能准确的知道t2的数值呢?


三、联动快门区分延迟光信号和非延迟光信号

我们知道,t1加t2刚好等于tp。我们可以用t1和t2时间段接收到的光子比例算出t2的具体时间。

 
图3:联动快门区分非延迟光信号和延迟光信号

图2的左边,接收1与发射在同一快门内,即发射的同时进行接收,所接收到的就是t1时间段内到达的光子数(可以叫Q1)。

发射完毕,高速快门瞬间切换到图右边,接收2开始接收,所接收到的就是t2时间段内到达的光子数(可以叫Q2)。

而Q2占总接收到的光子(Q1+Q2)的比例,再乘以脉冲时间tp,就是准确的t2.

 
公式1表示了t2的计算方法,公式2表示了距离的计算方法,公式3是前两个公式的综合。

当然,单次的光脉冲信号太弱,为了更好的区分,可以快速曝光几千次(500纳秒一次,一千次也只需要500微秒),直到信号能被比较电路测量出来。


小结

TOF相机(可以叫光测距相机吧)充分利用了电子技术的特点:比如高速镜头快门;发射接收高频光脉冲信号,调制的光脉冲频率可以高达100MHz;并用差分信号比例计算出延迟时间,从而可以用光测量很近的距离。

能如普通手机具备光测距功能,分辨率高的甚至可以识别立体的人脸轮廓,不能不让人惊叹。(大象韩 20201128)

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