無(wú)論是AR眼鏡和手機(jī)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(xiě)一些傳感器相關(guān)的文章，主要包括基礎(chǔ)知識(shí)掃盲、測(cè)試內(nèi)容和規(guī)范、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)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(shí)間），通過(guò)測(cè)量超聲波或光等信號(hào)在發(fā)射器和接收器之間的“飛行時(shí)間”，來(lái)計(jì)算和被測(cè)物體之間的距離，本質(zhì)上是一種測(cè)距的方法。

利用ToF原理實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能的傳感器，則被稱為T(mén)oF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(guò)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(guò)計(jì)算發(fā)射光到接受光之間的精確時(shí)間，就可以計(jì)算出ToF傳感器到目標(biāo)物體的距離：（光速*飛行時(shí)間）/2。

實(shí)際中的ToF傳感器是一個(gè)陣列，并不發(fā)射和接收單一點(diǎn)的光源。通過(guò)陣列，可以測(cè)量目標(biāo)物體整個(gè)表面到傳感器的距離，這樣就能獲得目標(biāo)對(duì)象的深度信息。再結(jié)合相機(jī)，就可以獲得3D圖像，達(dá)到和結(jié)構(gòu)光、雙目CAM方案一樣的立體視覺(jué)效果。被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、XR、機(jī)器人、汽車(chē)等領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、用戶特征識(shí)別、SLAM算法等。

02 ToF的分類(lèi)

1）dTOF

即direct Time of flight（直接測(cè)量飛行時(shí)間），dToF采用光脈沖調(diào)制方式，通過(guò)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射光脈沖，并檢測(cè)發(fā)射和發(fā)射光脈沖的時(shí)間間隔，直接計(jì)算待測(cè)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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）。

dToF傳感器通過(guò)VCSEL發(fā)射脈沖波，SPAD接收從目標(biāo)物體反射回來(lái)的光脈沖，TDC則可以記錄每次發(fā)射和接收脈沖之間的時(shí)間間隔。由于SPAD捕獲一段脈沖內(nèi)哪一個(gè)瞬間到達(dá)的光子有一定隨機(jī)性。這種隨機(jī)性的概率與光脈沖在這個(gè)瞬間的能量近似正比。因此，dToF會(huì)在單幀測(cè)量時(shí)間內(nèi)發(fā)射和接收N次光信號(hào)，TDC通過(guò)記錄生成一個(gè)關(guān)于飛行時(shí)間的分布直方圖，其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時(shí)間，則作為目標(biāo)測(cè)量值t，距離D=c*t/2。

2）iToF

即indirect Time of flight（間接測(cè)量飛行時(shí)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(hào)，通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的相位差，來(lái)間接測(cè)量光的飛行時(shí)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(hào)，圖像傳感器在曝光（積分）時(shí)間內(nèi)接收發(fā)射光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，曝光（積分）結(jié)束后，將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算單元，最終計(jì)算每個(gè)像素的相位偏移。

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

其中分別計(jì)算Q1~Q4，是為了減小恒定偏移量對(duì)測(cè)量的影響，相位方程中的商減小了測(cè)量過(guò)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(duì)比

03 ToF相機(jī)

ToF相機(jī)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(jī)，是一種主動(dòng)光探測(cè)相機(jī)，即自身發(fā)射光信號(hào)，并檢測(cè)發(fā)射回來(lái)的光信號(hào)。

ToF相機(jī)通常包含如下幾個(gè)部分：發(fā)射單元、光學(xué)透鏡、成像單元、控制單元和計(jì)算單元。

通過(guò)這些部件，ToF相機(jī)的每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)物體的深度信息，這個(gè)像素共同組成了一個(gè)深度圖像。例如下圖這種，使用不同的灰度值來(lái)代表不同的深度信息。

審核編輯：湯梓紅