無論是AR眼鏡和手機領域，sensor都在其中被大量使用。思考了很久，還是決定陸續寫一些傳感器相關的文章，主要包括基礎知識掃盲、測試內容和規范、調試經驗等。受限于本人的技術積累，僅供大家參考。

01 什么是ToF傳感器

ToF：Time of flight（飛行時間），通過測量超聲波或光等信號在發射器和接收器之間的“飛行時間”，來計算和被測物體之間的距離，本質上是一種測距的方法。

利用ToF原理實現測距功能的傳感器，則被稱為ToF傳感器。常用的ToF傳感器有超聲波、紅外和激光這三種。

以光學ToF為例，傳感器通過微發射器發射激光或紅外，光在目標物體表面被反射，并被接收器接受。通過計算發射光到接受光之間的精確時間，就可以計算出ToF傳感器到目標物體的距離：（光速*飛行時間）/2。

實際中的ToF傳感器是一個陣列，并不發射和接收單一點的光源。通過陣列，可以測量目標物體整個表面到傳感器的距離，這樣就能獲得目標對象的深度信息。再結合相機，就可以獲得3D圖像，達到和結構光、雙目CAM方案一樣的立體視覺效果。被廣泛應用于手機、XR、機器人、汽車等領域的運動檢測、用戶特征識別、SLAM算法等。

02 ToF的分類

1）dTOF

即direct Time of flight（直接測量飛行時間），dToF采用光脈沖調制方式，通過向被測目標發射光脈沖，并檢測發射和發射光脈沖的時間間隔，直接計算待測目標的距離（即深度信息）。

dToF的核心構成包括垂直腔面發射激光器（VCSEL）、單光子雪崩二極管（SPAD）、時間數字轉換器（TDC）。

dToF傳感器通過VCSEL發射脈沖波，SPAD接收從目標物體反射回來的光脈沖，TDC則可以記錄每次發射和接收脈沖之間的時間間隔。由于SPAD捕獲一段脈沖內哪一個瞬間到達的光子有一定隨機性。這種隨機性的概率與光脈沖在這個瞬間的能量近似正比。因此，dToF會在單幀測量時間內發射和接收N次光信號，TDC通過記錄生成一個關于飛行時間的分布直方圖，其中出現頻率最高的飛行時間，則作為目標測量值t，距離D=c*t/2。

2）iToF

即indirect Time of flight（間接測量飛行時間），iToF采用連續波調制方式，將發射光調制成某一頻率的周期信號，通過測量發射信號和接收信號的相位差，來間接測量光的飛行時間。

iToF的核心構成包括垂直腔面發射激光器（VCSEL）、圖像傳感器。

VCSEL發射特定頻率的周期調制光信號，圖像傳感器在曝光（積分）時間內接收發射光并進行光電轉換，曝光（積分）結束后，將數據傳給計算單元，最終計算每個像素的相位偏移。

iToF通常4個相位延遲分別為0°、90°、180°、270°的采樣窗口計算深度，最終可以得到相位偏移的計算公式為φ=（Q3-Q4）/(Q1-Q2)，在計算深度信息d=(φ/2πf)*c/2。

其中分別計算Q1~Q4，是為了減小恒定偏移量對測量的影響，相位方程中的商減小了測量過程中的常數增益的影響，比如系統放大、衰減等。

3）dToF和iToF對比

03 ToF相機

ToF相機就是由ToF傳感器和圖像傳感器共同組成的一種3D深度相機，是一種主動光探測相機，即自身發射光信號，并檢測發射回來的光信號。

ToF相機通常包含如下幾個部分：發射單元、光學透鏡、成像單元、控制單元和計算單元。

通過這些部件，ToF相機的每個像素都對應一個目標物體的深度信息，這個像素共同組成了一個深度圖像。例如下圖這種，使用不同的灰度值來代表不同的深度信息。

審核編輯：湯梓紅