3D图像传感器助力提高安全性和便利性

ToF技术是高度可扩展的。这意味着，假如提供相应的大功率照明，摄像头可以在只有几厘米到20米及以上的对焦范围内使用。相应距离的1%左右的深度分辨率是很典型的，横向分辨率目前达到最高352×288像素，摄像头最多可提供每秒100张图片。ToF摄像头一般由以下几个组件组成：照明单元、光学系统、传感器、电子控制和评估级（图2）。

图2：图像传感器REAL3利用ToF原理直接测量针对101,376像素中每一个像素的深度和幅度

照明单元利用LED或激光二极管，能以足够的速度（LED，如最高30MHz）进行调制，使传感器能够完美测量飞行时间。照明单元大多在近红外范围内发射，这样可以最大限度减小由摄像头造成的环境的任何干扰。

光学系统（镜头）收集从环境反射回去的光，并在传感器上映射场景。光学带通滤波器仅允许照明单元也使用的波长通过。这有助于消除很大一部分的背景光干扰。

ToF摄像头的核心是3D图像传感器（图2），可以测量每个像素的深度和幅度值。照明单元和传感器必须通过高级电子系统进行控制，以实现尽可能高的精度。图像传感器REAL3已采用这些电子装置。

为促进高性能图像识别，除针对特定应用进行优化的摄像系统外，也需要相应的计算单元来处理数据以及用于处理3D数据（如手势识别）的软件（中间件）。

尽管大部分背景光已受到光学滤波器的抑制，但像素依然必须应对非常大的深度动态范围。制造商提出了不同的传感器设计策略，使背景信号可以在很大程度上得到抑制。

高度集成的3D ToF图像传感器

英飞凌与来自德国锡根的pmdtechnologies公司合作开发高度集成的高性能3DToF摄像头芯片。pmdtechnologies对该芯片系列的主要贡献在于，采用获得专利的抑制背景照明（SBI）的ToF像素矩阵。SBI扩展了传感器芯片的动态能力，并帮助在环境的强光下防止饱和，如，在户外的阳光直射下使用时。搭载SBI电路的传感器可在150klx的明亮阳光下在相应设计的摄像系统中使用。3D图像传感器将高性能ToF像素矩阵与经优化并得到量产检验的 CMOS制造工艺和系统级芯片（SoC）的结合在一起。这样，使得感光区同混合信号电路集成于紧凑芯片上。图像传感器REAL3能实现对各种功能的最大程度的集成：感光像素阵列、智能控制逻辑、模/数转换器、像素矩阵调制、自动相位测序和数字输出接口。

这进而带来了众多优势。经优化的CMOS技术支持红外范围内的高灵敏度。获得专利的像素级SBI电路可确保在所有照明条件下的可靠运行，无论是在明亮的阳光下或黑暗中，还是在建筑和/或车辆内外。直接测量每个像素的深度和幅度，使得计算量减小。ToF单芯片采用标准的摄像头接口，易于集成。得益于单眼摄像头系统架构，无需机械基准，照明单元可独立于传感器进行定位，而且，不必进行机械调整或角度修正。另外也无需由于振动或热影响而进行重新校准。

图像传感器REAL3支持在1毫秒到4毫秒内快速读出数据，并支持100fps及更高的帧速率（每秒的帧数）。图像传感器也可通过I²C接口进行动态配置。这样，可以随工作期间的测相次数和曝光时间简单调整帧速率，而这反过来可以根据照明和工作条件并结合最大限度降低功耗，促进功能优化。此外，智能电源管理系统可确保低功耗。

英飞凌的合作伙伴pmdtechnologies还设计出在制造工序结束时快速可靠地对图像传感器进行校准的方法。每个ToF摄像头进行一次性校准需要不到10秒时间——这是对量产的关键要求。