ToF传感器的原理及优缺点分析

1. 什么是ToF

ToF: Time of flight. 飞行时间。当然这只是一种翻译的方法，其实ToF是一种测距的方法，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传感器生成和捕获的数据非常有用，因为它可以提供深度信息，结合相机，就可以得到3D图像，这样就可以进行行人检测，基于面部特征的用户身份验证，使用SLAM（同时定位和映射）算法的环境映射等等。ToF传感器广泛的应用在手机，机器人，智能汽车，AR等各个方面。

2. ToF的原理

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。

 

如上图所示，首先发射器发射红外光，并启动计时；当红外光从物体反射回接收器时记录时间，这样就测量到了光的“飞行时间”，由于光的速度是已知恒定的，通过下列公司就可以算出传感器到测量物体的精确距离： （光速x飞行时间）/ 2 实际中的ToF传感器是一个整列，通过这个阵列，可以测量整个物体表面的距离。

3. ToF 优缺点

ToF传感器的优缺点如下表所示：

ToF传感器的优点	ToF传感器的缺点
1.测量精确快速ToF传感器能够在短时间内准确地检测物体，并且不受湿度，气压和温度的影响，使其适合于室内和室外使用	1. 散射光如果非常明亮的表面离ToF传感器很近，它们可能会将太多的光散射到接收器中，并产生伪影和不必要的反射
2.测量距离长ToF传感器具有灵活性，因为它们能够检测各种形状和大小的近距离和远距离物体	2. 多重反射在角落和凹形上使用ToF传感器时，它们可能会导致不必要的反射，因为光可能会多次反射，从而使测量失真。
3.安全许多ToF传感器都使用低功率红外激光作为光源，并通过调制脉冲驱动它。传感器达到1类激光安全标准，可确保其对人眼的安全。	3. 环境光在明亮的阳光下户外使用ToF相机可能会导致户外使用困难。这是由于阳光的高强度会导致传感器像素快速饱和，从而无法检测到从物体反射的实际光。
4.成本低与其他3D深度范围扫描技术（例如结构化光相机系统或激光测距仪）相比，ToF传感器与它们相比要便宜得多。

 

虽然ToF传感器有一定局限性，特别是在户外高强度光照下局限性比较大，但是其突出的优点使得ToF传感器在手机拍照，3D制图，工业自动化，障碍物检测，自动驾驶汽车，农业，机器人技术，室内导航，手势识别，对象扫描，测量，监视到增强现实等等方面都得到了广泛的应用。  

4. ToF传感器芯片

生产ToF传感器芯片的厂商比较多，有Sony，Infineon（英飞凌）, ON(安森美), TI, Panasonic, STMicro(意法半导体)，还有汽车ToF的Melexis； 下面介绍一下，Melexis的MLX75027 汽车级 ToF 传感器；   MLX75027的特点： 1. VGA(640x480)分辨率，现有的ToF传感器一般最大分辨率都是VGA; 2. 支持 850 nm 和 940 nm 两种波长； 3. 每秒多达 135 个距离帧； 4. 集成光源控制，调制频率高达 100 MHz 5. MIPI CSI-2 串行摄像头接口，使用的是DPHY 2/4 lane； 6. 集成温度传感器； 其原理和芯片结构图如下所示:

 

如上图所示，其实ToF传感器和一般的camera sensor结构比较类似，都是通过感光阵列接收光信号，然后内部电路转换成数字图像信号。控制都是I2C，输出一般都是MIPI CSI-2,内部自带PLL。       其他厂商的ToF传感器原理和结构都比较类似，比如英飞凌的ToF传感器。英飞凌ToF技术仅使用一个红外光源就能直接测量每个像素中的深度和幅度信息：摄像头模组发射调制红外光到待测物体、或至整个场景，通过ToF成像器捕获发射光，就得到了原始的3D图像信息。这时，再通过测量发射光与接收光之间的幅度值以及相位差，即可“提炼”完整场景的灰度信息以及高度可靠的深度信息。结构如下：

如上图可以看出，ToF传感器内部结构都比较类似，和普通的camera sensor比较类似。  

后记

ToF技术虽然原理简单，但是应用非常广泛，而且越来越重要，特别是在AR，自动驾驶领域。虽然还有其他测距成像技术，比如双目，3d结构光，但是ToF成像成本低，系统简单，有其独特的优势。 技术很重要，技术背后的思想更重要！ 技术背后的某些思想就是你解决以后问题的钥匙。希望本文对你有一点点帮助。

编辑：黄飞