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。
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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 。
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