1. タイムオブフライト（ToF）センサーとは何ですか？

タイムオブフライトカメラとは何でしょうか？飛行機の飛行を撮影するカメラのことでしょうか？飛行機や飛行機と何か関係があるのでしょうか？実は、それはまだまだ先の話なのです！

ToFとは、物体、粒子、または波が一定の距離を移動するのにかかる時間を測定するものです。コウモリのソナーシステムが機能していることをご存知ですか？飛行時間測定システムはそれとよく似ています！

飛行時間型センサーには多くの種類がありますが、そのほとんどは飛行時間型カメラとレーザースキャナーであり、これらはライダー（光検出・測距）と呼ばれる技術を用いて、赤外線を照射することで画像内の様々な点の深さを測定します。

ToFセンサーを使用して生成および取得されたデータは、歩行者検出、顔の特徴に基づくユーザー認証、SLAM（同時自己位置推定と環境地図作成）アルゴリズムを使用した環境マッピングなど、さまざまな用途に利用できるため、非常に有用です。

このシステムは、ロボットや自動運転車、そして今ではあなたのモバイルデバイスにも広く使われています。例えば、Huawei P30 Pro、Oppo RX17 Pro、LG G8 ThinQなどを使っているなら、あなたのスマートフォンにはToFカメラが搭載されているのです！

ToFカメラ

2. 飛行時間センサーはどのように動作するのですか？

それでは、タイムオブフライトセンサーとは何か、そしてどのように動作するのかについて簡単に説明したいと思います。

ToFセンサーは、微小なレーザーを用いて赤外線を照射します。照射された光は物体に反射してセンサーに戻ってきます。センサーは、光の照射から物体に反射されてセンサーに戻ってくるまでの時間差に基づいて、物体とセンサー間の距離を測定できます。

本日は、ToF（飛行時間）が距離と深度を決定するために伝搬時間を利用する2つの方法、すなわちタイミングパルスを使用する方法と、振幅変調波の位相シフトを使用する方法について探究します。

タイミングパルスを使用する

例えば、レーザーで対象物を照射し、反射光をスキャナーで測定した後、光速を用いて対象物までの距離を推定し、移動距離を正確に算出します。さらに、レーザー光の戻り時間と波長の差を利用して、対象物の正確なデジタル3Dモデルと表面形状を作成し、個々の特徴を視覚的にマッピングします。

上記のように、レーザー光が発射され、物体に反射してセンサーに戻ってきます。ToFカメラは、レーザー光の反射時間を利用して、光の速度に基づき、短時間で正確な距離を測定できます。（ToFは距離に変換します）アナリストが物体の正確な距離を算出するために使用する式は次のとおりです。

（光速×飛行時間）/2

ToFは距離に変換されます

ご覧のとおり、ライトが消えている間にタイマーが作動し、受信機が反射光を受信すると、タイマーは時間を返します。この時間を2回引き算することで光の「飛行時間」が得られ、光速は一定であるため、上記の式を用いて距離を簡単に計算できます。このようにして、物体の表面上のすべての点を特定できます。

AM波の位相シフトを利用する

次に、ToFまた、連続波を用いて反射光の位相シフトを検出することで、深度や距離を測定することもできる。

AM波を用いた位相シフト

振幅を変調することで、既知の周波数を持つ正弦波光源が生成され、検出器は次の式を用いて反射光の位相シフトを決定できる。

ここで、cは光速（c = 3 × 10^8 m/s）、λは波長（λ = 15 m）、fは周波数であり、センサー上の各点の深さは容易に計算できます。

これらすべては、光速で動作するため、非常に速く起こります。センサーがどれほどの精度と速度で測定できるか想像できますか？例を挙げると、光は毎秒30万キロメートルの速度で進みます。物体が5メートル離れている場合、カメラから光が出て戻ってくるまでの時間差は約33ナノ秒、つまりわずか0.000000033秒です！すごいですね！言うまでもなく、取得されたデータは、画像内のすべてのピクセルの正確な3Dデジタル表現を提供します。

どのような原理を用いるにせよ、シーン全体を照らす光源を用意することで、センサーはすべての点の深度を測定できます。その結果、各ピクセルがシーン内の対応する点までの距離を表す距離マップが得られます。以下は、ToF距離グラフの例です。

ToFレンジグラフの例

ToFが機能することがわかったところで、なぜ優れているのでしょうか？なぜ使用するのでしょうか？どのような用途に適しているのでしょうか？ご安心ください。ToFセンサーを使用することには多くの利点がありますが、もちろんいくつかの制限事項もあります。

3. 飛行時間型センサーを使用する利点

正確かつ迅速な測定

超音波やレーザーなどの他の距離センサーと比較して、タイムオブフライト（ToF）センサーはシーンの3D画像を非常に高速に構成できます。例えば、ToFカメラはこれを一度しか実行できません。それだけでなく、ToFセンサーは短時間で物体を正確に検出でき、湿度、気圧、温度の影響を受けないため、屋内でも屋外でも使用できます。