什么是ToF传感器？ToF的分类

无论是AR眼镜和手机领域，sensor都在其中被大量使用。思考了很久，还是决定陆续写一些传感器相关的文章，主要包括基础知识扫盲、测试内容和规范、调试经验等。受限于本人的技术积累，仅供大家参考。

01 什么是ToF传感器

ToF：Time of flight（飞行时间），通过测量超声波或光等信号在发射器和接收器之间的“飞行时间”，来计算和被测物体之间的距离，本质上是一种测距的方法。

利用ToF原理实现测距功能的传感器，则被称为ToF传感器。常用的ToF传感器有超声波、红外和激光这三种。

以光学ToF为例，传感器通过微发射器发射激光或红外，光在目标物体表面被反射，并被接收器接受。通过计算发射光到接受光之间的精确时间，就可以计算出ToF传感器到目标物体的距离：（光速*飞行时间）/2。

实际中的ToF传感器是一个阵列，并不发射和接收单一点的光源。通过阵列，可以测量目标物体整个表面到传感器的距离，这样就能获得目标对象的深度信息。再结合相机，就可以获得3D图像，达到和结构光、双目CAM方案一样的立体视觉效果。被广泛应用于手机、XR、机器人、汽车等领域的运动检测、用户特征识别、SLAM算法等。

02 ToF的分类

1）dTOF

即direct Time of flight（直接测量飞行时间），dToF采用光脉冲调制方式，通过向被测目标发射光脉冲，并检测发射和发射光脉冲的时间间隔，直接计算待测目标的距离（即深度信息）。

dToF的核心构成包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、单光子雪崩二极管（SPAD）、时间数字转换器（TDC）。

dToF传感器通过VCSEL发射脉冲波，SPAD接收从目标物体反射回来的光脉冲，TDC则可以记录每次发射和接收脉冲之间的时间间隔。由于SPAD捕获一段脉冲内哪一个瞬间到达的光子有一定随机性。这种随机性的概率与光脉冲在这个瞬间的能量近似正比。因此，dToF会在单帧测量时间内发射和接收N次光信号，TDC通过记录生成一个关于飞行时间的分布直方图，其中出现频率最高的飞行时间，则作为目标测量值t，距离D=c*t/2。

2）iToF

即indirect Time of flight（间接测量飞行时间），iToF采用连续波调制方式，将发射光调制成某一频率的周期信号，通过测量发射信号和接收信号的相位差，来间接测量光的飞行时间。

iToF的核心构成包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、图像传感器。

VCSEL发射特定频率的周期调制光信号，图像传感器在曝光（积分）时间内接收发射光并进行光电转换，曝光（积分）结束后，将数据传给计算单元，最终计算每个像素的相位偏移。

iToF通常4个相位延迟分别为0°、90°、180°、270°的采样窗口计算深度，最终可以得到相位偏移的计算公式为φ=（Q3-Q4）/(Q1-Q2)，在计算深度信息d=(φ/2πf)*c/2。

其中分别计算Q1~Q4，是为了减小恒定偏移量对测量的影响，相位方程中的商减小了测量过程中的常数增益的影响，比如系统放大、衰减等。

3）dToF和iToF对比

	优点	缺点
dToF	1.测距精度高、距离远，其测量精度不会因距离增大而降低； 2.功耗更低； 3.对环境光的抗干扰能力更强； 4.算法相对简单	1.硬件要求更高，需要采用高精密的时钟进行测量；需要产生高频率、短时间、高强度的脉冲光信号； 2.dToF检测的光脉冲信号通常在ns或ps级，因此SPAD需要实现较高的精度； 3.SPAD相比较CMOS图像传感器，集成度一般较低，因此分辨率通常较差，且成本高
iToF	1.原理简单，硬件电路相对简单，成本较低； 2.接收图像分辨率较高	1.精度较低，检测距离较近，且检测精度随距离增加而下降； 2.功耗高，随着距离增加，功耗增大； 3.易受环境光干扰； 4.多径干扰； 5.深度算法相对复杂

03 ToF相机

ToF相机就是由ToF传感器和图像传感器共同组成的一种3D深度相机，是一种主动光探测相机，即自身发射光信号，并检测发射回来的光信号。

ToF相机通常包含如下几个部分：发射单元、光学透镜、成像单元、控制单元和计算单元。

通过这些部件，ToF相机的每个像素都对应一个目标物体的深度信息，这个像素共同组成了一个深度图像。例如下图这种，使用不同的灰度值来代表不同的深度信息。

审核编辑：汤梓红