【導讀】3D飛行時間（3D ToF）是一種無掃描儀LIDAR（光檢測和測距，激光雷達）技術，通過發(fā)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），已經廣泛應用于消費電子、工業(yè)4.0、汽車、醫(yī)療健康、安防和監(jiān)控、機器人等領域。本文將為您介紹3D ToF技術的發(fā)展與ADI推出的相關解決方案。
3D ToF技術可精準進行距離測量
3D ToF技術是采用ToF攝像頭通過使用調制光源（例如激光）主動照亮物體，然后用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，以此測量距離。傳感器測量從攝像頭發(fā)射光，到攝像頭接收到發(fā)射光之間的時間延遲?。時間延遲與攝像頭和物體之間的兩倍距離（往返）成正比；因此，距離可以估算為深度 = cΔ/2，其中c表示光速。
目前存在多種不同的測量?T的方法，其中兩種最為常用，包括連續(xù)波（CW）方法和脈沖方法。值得注意的是，目前已經實施且在市面上使用的絕大多數連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（特別是CCD）。
3D ToF廣泛應用在各種關鍵領域
3D ToF技術應用相當廣泛，在消費電子領域，包括從AR（增強現實）和VR（虛擬現實）頭戴式裝置到具有高級攝影和安全功能的智能手機，預計ToF技術將成為下一代消費電子產品的重要組成部分。在AR/VR頭戴式裝置中，通過ToF系統(tǒng)獲取的深度信息能夠為用戶提供額外的現實維度。在智能手機中，該技術將使攝像頭能夠產生數字單反相機質量的攝影效果，實現更逼真的AR/VR功能，并提供額外的保護，避免不必要的外部訪問。
在工業(yè)4.0應用中的智能傳感器（特別是深度傳感器）在制造業(yè)以及運輸和物流中的應用越來越普遍。從用于質量檢查的工業(yè)機器視覺，用于資產管理的容量檢測到用于自主制造的導航設備，制造業(yè)正在采用這些傳感技術，并推動開發(fā)適合惡劣工業(yè)環(huán)境的高分辨率系統(tǒng)。
在下一代汽車應用中，駕駛艙內的ToF系統(tǒng)將能夠監(jiān)控駕駛員和乘客的位置和狀態(tài)，在駕駛員喪失駕駛能力的情況下控制并操縱汽車，確保車輛行駛安全。通過ToF技術實現的手勢控制系統(tǒng)將可能是下一代汽車用戶界面，允許駕駛員通過簡單的手勢或觸控操作接聽來電、切換音頻輸入源，甚至調節(jié)車內溫度。
鑒于最近的疫情大流行，適用于遠距離和深度測量的ToF技術在醫(yī)療健康領域變得更加重要。通過手勢進行非接觸式控制操作、嬰兒呼吸的遠程監(jiān)控，以及在各種環(huán)境中對社交距離的監(jiān)控等，這些都可以使用3D ToF技術來實現。
在安防和監(jiān)控應用中，與傳統(tǒng)的2D圖像檢測技術相比，3D ToF的高分辨率景深測量技術具有明顯的優(yōu)勢。高分辨率景深測量能夠更輕松可靠地區(qū)分人和物體，非常適合商業(yè)樓宇出入口的安防和監(jiān)控檢測，以及醫(yī)療環(huán)境的患者跌倒或受傷檢測。
此外，高分辨率ToF系統(tǒng)使自動化機器和機器人可以感知環(huán)境、規(guī)劃路徑方面將變得至關重要，從而以優(yōu)化、可靠和安全的方式完成任務。此外，3D成像可以在人類和協(xié)作機器人協(xié)同工作的應用中實現安全功能。協(xié)作機器人除了應用于工業(yè)領域，也從工廠車間走進新的應用領域（比如醫(yī)療健康），可幫助護士進行空間和表面消毒，或者協(xié)助完成某些測試，從而盡可能降低工作人員面臨的健康風險。
行業(yè)領先的完整3D ToF產品和解決方案
看到3D ToF技術的快速發(fā)展，ADI也提供多種可直接實現和提升先進ToF系統(tǒng)和攝像頭功能的行業(yè)領先產品和解決方案，包括高分辨率CMOS成像芯片（100萬像素）、深度計算和處理、激光驅動器、電源管理以及開發(fā)工具和軟件／固件，幫助快速實現ToF解決方案。此外，ADI利用全球合作伙伴網絡開發(fā)ToF模塊、攝像頭和設計服務，從而幫助縮短產品開發(fā)時間。
ADI推出的ADSD3100是一款基于CMOS 3D ToF的3D深度和2D可視光成像器，可用于集成到3D傳感器系統(tǒng)中。讀出所需的功能模塊包括模數轉換器（ADC）、像素偏置電路和傳感器控制邏輯，內置在芯片中以便在系統(tǒng)中實現簡單、經濟高效的方案。
ADSD3100通過移動行業(yè)處理器接口（MIPI）、攝像頭串行接口2（CSI-2）接口與主機系統(tǒng)進行電氣接口。為了完成工作子系統(tǒng)，需要用于成像器的鏡頭和光學帶通濾波器，以及紅外光源和相關驅動器。ADSD3100可應用于智能手機、AR/VR、機器視覺系統(tǒng)（物流和庫存）、機器人（消費電子和工業(yè)）等領域。
ADI推出的ADDI9036則是一款適用于電荷耦合器件（CCD）TOF成像應用的完整45 MHz前端解決方案。ADDI9036包括一個模擬前端（AFE）、一個可編程指令集架構（ISA）時序發(fā)生器（ISATG）、一個7通道激光二極管（LD）驅動器、一個7通道H驅動器，和一個16通道垂直驅動器（V驅動器）。精密時序?內核允許調整CCD水平時鐘和LD輸出，在45 MHz頻率下工作時的分辨率約為174 ps。
ADDI9036中的AFE包括黑色電平鉗位、一個相關雙采樣器（CDS）、一個可變增益放大器（VGA）和一個12位ADC。AFE數據通過MIPI? CSI-2傳輸接口進行輸出，也可通過I2C串行接口對內部寄存器進行編程。ADDI9036采用6 mm × 6 mm 117球WLCSP封裝，并可以在?20℃至+85℃的工作溫度范圍內工作。
ADI ADP362x/ADP363x則是高電流、雙通道高速驅動器系列，能夠驅動兩個獨立的N溝道功率MOSFET。該系列采用工業(yè)標準尺寸，但增加了高速開關性能，并且系統(tǒng)可靠性更高。該系列集成了內部溫度傳感器并提供兩重過溫保護、過溫警告，以及結溫極高時的過溫關斷功能。
由內部精密比較器產生的SD功能，可快速啟用或關斷系統(tǒng)。該功能可提供冗余過壓保護，與主控制器內部的保護功能相配合，或在發(fā)生過溫警告事件時可安全關斷系統(tǒng)。寬輸入電壓范圍使驅動器能夠同時與模擬和數字PWM控制器兼容，數字電源控制器從低壓電源供電，驅動器從較高電壓電源供電。ADP362x/ADP363x系列增加了UVLO和遲滯功能，與低壓數字控制器配合使用時支持較高電壓電源的安全啟動和關斷。
ADP362x/ADP363x器件系列采用散熱增強型SOIC_N_EP和MINI_SO_EP封裝，在較小印刷電路板（PCB）面積內較大限度地提升高頻和大電流開關性能?？蓱糜贏C-DC開關模式電源、DC-DC電源、同步整流、電機驅動等領域。
可加快系統(tǒng)開發(fā)速度的3D ToF開發(fā)平臺
為加快3D ToF系統(tǒng)的開發(fā)速度，ADI也推出3D ToF開發(fā)平臺――AD-96TOF1-EBZ，這款模塊化的ToF解決方案是基于行業(yè)標準的96Boards平臺構建而成，可測量對象的X、Y、Z軸數據。
AD-96TOF1-EBZ是經過實踐檢驗的深度感知硬件平臺，在與96Boards生態(tài)系統(tǒng)中的處理器板配合使用時，可用于3D軟件和算法開發(fā)。在開發(fā)軟件和算法的同時，可以利用硬件設計實現產品化。
ADI可以推薦第三方開發(fā)商幫助定制該平臺以滿足各種應用需求。根據客戶偏好和開發(fā)經驗的差異，可以使用不同的96Boards處理器板進行整體系統(tǒng)評估和定制開發(fā)。在夾層板上還可以使用樹莓派（Raspberry Pi）接口，進一步提高客戶靈活性。
該解決方案能夠實現非常小巧和低功耗的特點，測量長達6米的深度，并具有出色的室外和室內性能以及VGA分辨率。可用于機器人、工業(yè)自動化、SLAM（同時定位和地圖構建）、AR、VR、無人機、汽車檢測等應用。
另一款AD-FXTOF1-EBZ 3D ToF開發(fā)套件則是景深測量模塊，非常適合集成到較大的系統(tǒng)和終端產品中。它使用VGA CCD，支持以每秒30幀捕獲640x480景深映射場景，從而提供比市場上許多其他TOF系統(tǒng)高4倍的分辨率。
AD-FXTOF1-EBZ是一款通過認證的生產模塊，適合景深測量。它完全兼容現有的ADI 3DTOF開源SDK和原型制作軟件平臺。它可以配合現有的ADI算法用于各種用例，包括人員檢測、占用和活動檢測、目標檢測和分類、自主和服務機器人，以及用于物流和工業(yè)應用及許多其他機器視覺應用的體積測量。該套件包含轉接板，使ToF模塊的25引腳接口適應15引腳接口，并與常用的開發(fā)系統(tǒng)兼容，如Raspberry PI、Nvidia Jetson Nano或Nvidia Xavier NX。
ADI也推出高度集成的ToF攝像頭模塊，其基于ADI的ToF信號鏈產品和技術，可輸出深度圖和（710版）TOF + RGB圖像（可禁用），FOV為70 X 54，深度攝像頭支持最大640*480（30 FPS下）的圖像大小，RGB攝像頭支持最大1920*1080（30 FPS下）的圖像大小，內置USB 2.0接口，可支持在Android、Linux、Windows 7/8/10的操作系統(tǒng)上運行，并提供Pico深度傳感器SDK、示例代碼和工具（兼容Open NI SDK），以及在Python中提供的ADI示例應用算法。
結語
集成3D ToF技術的LiDAR系統(tǒng)發(fā)展已經相當成熟、應用日趨廣泛，極具市場發(fā)展?jié)摿?。ADI推出完整的3D ToF產品與解決方案，并提供易于使用的開發(fā)平臺與模塊，可加快客戶的產品開發(fā)速度，將是您開發(fā)相關產品的最佳選擇之一。
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