3. 多区ToF系统架构
多区ToF（Time-of-Flight，飞行时间）系统的核心目标，是在同一颗传感器芯片上同时获取多个空间区域的距离信息，从而支持自动对焦分区、深度图稀疏采样、手势识别、避障等应用。与单区ToF只测一个视场角内的平均距离不同，多区ToF需要在发射端、接收端和像素阵列三个层面同时做“空间划分”，并通过系统框图把光信号链、电信号链和时序控制链组织起来。理解这套架构，是后续分析串扰、多路径干扰和分区标定的基础。
一、核心原理：把“一个视场”拆成“多个子视场”
多区ToF的基本思想是：发射模块不再只照亮一个均匀的大视场，而是把激光或LED光分成若干子光束，分别投射到不同空间区域；接收模块则用像素阵列把这些区域反射回来的光分别收集，并独立测量每个区域的飞行时间。这样，每个“区”就对应一组发射子光束与一组接收像素的配对关系。
从信号链角度看，一个区内的完整过程是：发射驱动产生调制电流 → 激光二极管发出调制光 → 光学扩散/衍射元件把光分配到指定子视场 → 目标反射 → 接收镜头把回光汇聚到对应像素子阵列 → 像素把光生电流转换为相位/时间信息 → 读出电路按区输出距离。多区系统的关键，就是让这些“区”在空间上尽量隔离，在时间上尽量同步，在数据上可独立寻址。
二、发射模块：从单光源到分区照明
发射模块通常由激光驱动器、VCSEL或EEL光源、光学扩散片或衍射光学元件（DOE）、以及温度/功率监测电路组成。在多区系统中，发射端常见有三种分区方式：
- 光学分区：用DOE或微透镜阵列把一束光分成多个固定子光束，每个子光束对应一个区。结构简单，但分区形状和位置由光学设计决定，灵活性较低。
- 电学分区：把VCSEL阵列分成多个可独立驱动的阳极组，通过时序轮流点亮不同组。分区灵活，可实现时分复用，但驱动通道数和散热复杂度上升。
- 混合分区：光学上先做粗分，电学上再做细分或扫描，兼顾效率与灵活性，常见于高分辨率多区ToF。
发射模块的关键参数包括：每区峰值光功率、脉宽或调制频率、占空比、光束发散角、区与区之间的光学隔离度。若隔离度不足，相邻区的回光会进入本区像素，形成光学串扰。
三、接收模块与像素阵列：空间采样与独立读出
接收模块由接收镜头、窄带滤光片、像素阵列和读出电路组成。像素阵列是多区ToF的“空间采样器”：每个像素或像素簇对应一个空间方向，多个像素簇再按区划分方式组合成若干子阵列。常见的像素阵列组织方式有：
- 物理分区：像素阵列在版图上直接划分为若干独立子阵列，每个子阵列有独立的读出通道和存储节点，区之间隔离好，但填充因子和分辨率受限。
- 逻辑分区：像素仍按统一阵列排列，通过行/列选通和读出时序把不同区域的数据分时输出，灵活性高，但需要更复杂的时序控制。
- 混合分区：物理上分簇，逻辑上再按行/列扫描，适合大阵列多区应用。
像素内部通常包含光电探测器（SPAD或APD）、淬灭/复位电路、时间数字转换器（TDC）或相位采样电路、以及若干存储电容。多区系统要求每个区有独立的直方图或相位累加器，否则不同区的飞行时间会混在一起，无法分离。
四、多区划分方式与系统框图
多区划分方式决定了系统如何把空间映射到区编号。常见方式包括：
| 划分方式 | 空间形态 | 典型应用 | 主要挑战 |
|---|---|---|---|
| 矩形分区 | 视场被切成2×2、3×3等矩形子区 | 自动对焦、深度粗测 | 区边界串扰 |
| 环形分区 | 以光轴为中心分成同心环 | 避障、近距检测 | 环间隔离度 |
| 扇形分区 | 按角度分成若干扇区 | 手势识别、扫描 | 角度标定 |
| 任意分区 | 按像素簇自由组合 | 定制化深度采样 | 读出复杂度高 |
系统框图则把这些模块串成一条完整的信号链。下图给出一个典型的多区ToF系统框图：左侧是发射链路，中间是光学与目标，右侧是接收与处理链路，底部是时序控制与数据接口。
五、案例场景：3×3多区ToF用于自动对焦
以手机自动对焦为例，3×3多区ToF把视场分成9个矩形子区。发射端用VCSEL阵列分三组轮流点亮，每组覆盖一行；接收端像素阵列按3×3逻辑分区读出。系统先输出9个区的距离，再根据中心区和邻近区的距离差判断主体位置，驱动镜头对焦。此时若区与区之间光学隔离不足，中心区会收到边缘区的回光，导致距离被“拉近”，对焦就会偏向背景。
六、常见误区与复盘
- 误区一：只关注发射分区，忽略接收分区。发射分得再细，如果接收像素没有对应分区，回光仍会混在一起。发射区与接收区必须成对设计。
- 误区二：认为分区越多越好。区数增加会降低每区光功率和像素数，信噪比下降，标定复杂度上升。区数应与应用需求匹配。
- 误区三：忽略时序隔离。若相邻区同时点亮，即使光学隔离很好，也会因回光时间重叠产生电学串扰。时分复用是常用手段。
- 误区四：不做区间标定。每个区的光学效率、像素增益和延迟不同，必须逐区标定偏移和增益，否则多区深度图会出现“拼缝”。
多区ToF系统检查清单：
1. 发射区与接收区是否一一对应？
2. 每区是否有独立TDC/直方图存储？
3. 区间光学隔离度是否满足串扰预算？
4. 时序是否保证同一时刻只有一个区在测距？
5. 是否完成逐区偏移/增益标定？
6. 数据接口是否能按区输出距离和置信度？总结来看，多区ToF系统架构的本质是“空间划分 + 时间划分 + 数据划分”的三重对齐。发射模块负责把光分配到区，接收模块和像素阵列负责把回光按区收集并独立计时，多区划分方式决定空间映射关系，系统框图则把控制、时序和接口串成闭环。只有这四层协同设计，才能在获得多区深度信息的同时，把区间串扰控制在可接受范围内。