無論是AR眼鏡和手機領(lǐng)域，sensor都在其中被大量使用。思考了很久，還是決定陸續(xù)寫一些傳感器相關(guān)的文章，主要包括基礎(chǔ)知識掃盲、測試內(nèi)容和規(guī)范、調(diào)試經(jīng)驗等。受限于本人的技術(shù)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(fā)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(zhì)上是一種測距的方法。

利用ToF原理實現(xiàn)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(xué)ToF為例，傳感器通過微發(fā)射器發(fā)射激光或紅外，光在目標(biāo)物體表面被反射，并被接收器接受。通過計算發(fā)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(biāo)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(fā)射和接收單一點的光源。通過陣列，可以測量目標(biāo)物體整個表面到傳感器的距離，這樣就能獲得目標(biāo)對象的深度信息。再結(jié)合相機，就可以獲得3D圖像，達到和結(jié)構(gòu)光、雙目CAM方案一樣的立體視覺效果。被廣泛應(yīng)用于手機、XR、機器人、汽車等領(lǐng)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(diào)制方式，通過向被測目標(biāo)發(fā)射光脈沖，并檢測發(fā)射和發(fā)射光脈沖的時間間隔，直接計算待測目標(biāo)的距離（即深度信息）。

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

dToF傳感器通過VCSEL發(fā)射脈沖波，SPAD接收從目標(biāo)物體反射回來的光脈沖，TDC則可以記錄每次發(fā)射和接收脈沖之間的時間間隔。由于SPAD捕獲一段脈沖內(nèi)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(nèi)發(fā)射和接收N次光信號，TDC通過記錄生成一個關(guān)于飛行時間的分布直方圖，其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時間，則作為目標(biāo)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(xù)波調(diào)制方式，將發(fā)射光調(diào)制成某一頻率的周期信號，通過測量發(fā)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(gòu)成包括垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、圖像傳感器。

VCSEL發(fā)射特定頻率的周期調(diào)制光信號，圖像傳感器在曝光（積分）時間內(nèi)接收發(fā)射光并進行光電轉(zhuǎn)換，曝光（積分）結(jié)束后，將數(shù)據(jù)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(shù)增益的影響，比如系統(tǒng)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(fā)射光信號，并檢測發(fā)射回來的光信號。

ToF相機通常包含如下幾個部分：發(fā)射單元、光學(xué)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(yīng)一個目標(biāo)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