ToF（Time of Flight）作为近些年在消费电子、工业应用领域特别热门的前沿技术，吸引了越来越多的市场参与者与消费用户的关注。使用ToF技术，光从调制光源（如激光）发射，经过一个或者多个目标反射后被相机所接收，通过发射光与反射光之间的时间延迟来确定距离。而利用ToF测量光脉冲的飞行时间基本上又有两种不同调制方法——基于电荷耦合器件(CCD)技术的脉冲模式和连续波(CW)模式，连续波系统是测量发射和接收的调制脉冲之间的相移，而脉冲系统式是测量发射和接收之间脉冲经过的时间，本文就对这两种调制方法作简要对比并介绍ADI的ToF系统级解决方案。
连续波ToF系统的原理与特征
对于对精度要求不高的应用，连续波系统可能比脉冲系统更容易实现，因为它不要求激光脉冲非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿。由于激光信号具有周期性，所以连续波系统测量中的任何相位测量每隔2π会重复一次，意味着会产生一个混叠距离。对于只有一个调制频率的系统，混叠距离也是最大可测距离。为了应对这个限制，可以使用多个调制频率来执行相位展开，其中，如果两个（或多个）具有不同调制频率的相位测量值与估算的深度一致，就可以确定与物体之间的真实深度。这种多重调制频率方案也可以用于减少多路径误差——多路径误差是由于一个物体的反射光击中另一个物体（或在镜头内部反射），然后返回到传感器时会导致的测量误差。
连续波调制原理示意图
连续波系统的温度校准可能比脉冲系统更容易。随着系统温度升高，解调信号和激光信号会因为温度变化彼此偏移，但这种偏移只会影响测量距离，在整个距离范围内始终存在偏置误差，而深度线性度则基本保持稳定。
虽然与其他传感器相比，CMOS传感器具有更高的输出数据速率，但连续波传感器需要在多个调制频率下获得4个相关函数样本，并使用多帧处理来计算深度。较长的曝光时间可能会限制系统的整体帧率，或导致运动模糊，因此只能在有限类型的应用中使用。这种更高的处理复杂性可能需要用到外部应用处理器，而这可能超出了应用的需求。对于更远距离的测量或者更强环境光的场景，更高的连续光功率则十分必要，但这种高强度的连续光信号则可能导致散热和可靠性的问题。
脉冲ToF系统的原理与特征
脉冲系统通常依赖于在很短的时间窗口内发出高能光脉冲，它更加便于设计鲁棒性强的系统，因此更适用于户外，曝光时间短也使得运动模糊的效应相应小。此外，脉冲系统中的信号占空比通常比同等水平的连续波系统要低得多，对于长期工作的应用，可以降低系统的总功耗。由于脉冲时序和宽度不需要一样，所以可以采用不同的时序方案，支持实现更宽的动态范围和自动曝光等功能。
光脉冲工作原理示意图
通过将脉冲群放置在与其他系统不同的帧位置，从而避免来自其他脉冲ToF系统的干扰，这可以通过协调各种系统在一帧中为激光脉冲选择不同的位置，或者使用外部光电探测器来确定其他系统脉冲的位置来实现。另一种方法是动态随机排列脉冲群的位置，这样就无需协调各个系统之间的时序，但这种方法无法完全消除干扰。
但是，由于发射光脉冲的脉宽和快门的脉宽需要保持相同，所以系统的时序控制需要非常精确，根据应用需要，可能需要达到皮秒级精度。为了达到最大效率，激光脉冲宽度必须非常短，但同时必须具有极高的功率，激光驱动器因此需要实现非常快的上升/下降沿（<1ns）。与连续波系统相比，其温度校准过程可能更为复杂，因为温度的变化会影响单个脉冲宽度，不仅影响偏置和增益，还会影响其线性度。
ADI高性能ToF模拟前端构筑精确测量硬件平台
两种ToF调制方法都有各自的优缺点，需要根据实际应用用例综合考量的点包括测量距离、使用系统的环境、精度要求、热/功耗限制、外形大小以及电源问题等。ADI的ToF解决方案目前主要采用CCD传感器的脉冲原理方式，CCD作为一个全局曝光器件，在室外远距离场景下，具有非常良好的性能。同时CCD作为全局曝光的传感器，又是窄快门曝光，对于外界抗干扰性能非常强。
具体而言，ADI的ToF解决方案使用了高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度处理器（将来自CCD的原始模拟图像信号处理成深度/像素数据），以及高精度时钟发生器（为CCD和激光器生成驱动时序）的ToF模拟处理前端。ToF CCD主芯片ADDI903x系列具有很好的性能，传感器将采集的光信号转换成电信号，运用深度计算把最终距离信息送到SOC处理，然后将数据提供给算法适配，整个过程涉及传感器、镜头、发射器件、平台、应用等。对硬件厂商而言，需要和模组厂配合打造小型化、集成度高的产品来适配应用厂商，然后适应不同的应用场景。
除了前端芯片和传感器外，根据CCD的需求也会需要比较多的光电器件，而ADI的ToF解决方案周边器件均是ADI公司的产品。因此，ADI ToF系统级解决方案不建议客户在使用时进行太多修改，因为该系统中的每一个模块都是ADI长期和合作伙伴磨合完成已达到的系统最佳整体性能状态。
值得一提的是，ADI目前正在扩展ToF技术相关产品范围，通过基于CMOS CW的产品系列来补充现有基于CCD脉冲系统的元件产品组合，进一步构建完整的ToF系统解决方案，以提供3D细节效果更佳、操作距离更远并且在不同的环境中操作更可靠的成像。