TOF传感器和工作原理2024-10-15

ToF和结构光、双目立体视觉是近年来三种主流的3D成像方式。在机器人、人机交互以及其他工业领域中的应用广泛。本篇文章主要阐述一下ToF传感器的相关知识。

什么是ToF传感器与ToF相机

ToF: Time of flight（飞行时间）。其实ToF是一种测距的方法，ToF相机一般需要使用特定人造光源进行测量，即通过测量超声波、微波、光等信号在发射器和反射器之间的“飞行时间”来计算出两者之间距离。能够实现ToF测距的传感器就是ToF传感器。ToF传感器种类很多，使用较多的是通过红外或者激光进行测距的ToF传感器。

使用ToF传感器生成和捕获包含深度信息的数据，结合图像传感器，就可以得到3D图像，我们将这种由ToF传感器和图像传感器共同组成的相机称为ToF相机。

ToF传感器的原理在下面会详细介绍，先说说图像传感器，成像传感器接受与ToF传感器相同光谱的接收光，将光能转换为电流信息进行处理。进入传感器的光有一个环境组件和一个反射组件。距离(深度)信息只进入到反射组件中。因此，高环境分量会降低信噪比(SNR)。

ToF传感器可以进行行人检测，基于面部特征的用户身份验证，使用SLAM（同时定位和映射）算法的环境映射等功能。

ToF的分类与原理

ToF传感器使用微小的发射器发射红外光或者激光，其中产生的光会从任何物体反弹并返回到传感器。根据光的发射与被物体反射后返回传感器之间的时间差，传感器可以测量物体与传感器之间的距离。

光源被脉冲调制（Pulsed Modulation）（dToF）或连续波调制（Continuous Wave Modulation）（iToF）。通常是正弦波或方波。方波调制更常见，因为它可以很容易地用数字电路实现。

调制可以通过对反射光的光电子积分或者在第一次检测到反射时启动快速计数器来实现。后者需要一个快速的光电探测器，通常是一个单光子雪崩二极管(SPAD)。这种计数方法需要快速的电子设备，因为要达到1毫米的精度需要对持续时间为6.6皮秒的脉冲进行计时。

下面针对两种不同的测量方案进行阐述

直接光飞行时间dToF

dToF，全称是direct Time-of-Flight。顾名思义，dToF直接测量飞行时间。dToF原理为向被测物体发射光脉冲，通过对反射和发射光脉冲时间间隔的测量，直接计算待测物体的深度。

照射光源一般采用方波脉冲调制，这是因为它用数字电路来实现相对容易。ToF相机的每个像素都是由一个感光单元（如光电二极管）组成，它可以将入射光转换为电流，感光单元连接着多个高频转换开关可以把电流导入不同的可以储存电荷的电容里。