技术原理
ToF传感器使用微型激光器发射红外光，根据光束的发射和反射时间差或相位差计算距离，再将形成的深度信息与传统相机拍摄结合，呈现出以不同颜色表征距离的三维轮廓地形图。
ToF测距成像原理
ToF传感器使用微型激光器发射红外光，根据光束的发射和反射时间差或相位差计算距离，再将形成的深度信息与传统相机拍摄结合，呈现出以不同颜色表征距离的三维轮廓地形图。
ToF测距成像原理
ToF测定距离和深度的方法有两种：直接飞行时间(dToF)、间接飞行时间(iToF)。dToF方法可确定单个像素的距离。接收到的信号会经过最终处理以触发相应的操作，例如进行车辆规避操作，以避免与行人或障碍物相撞。这种方法称为直接飞行时间(dToF)，因为它与光束的确切“飞行时间”相关。自动驾驶车辆的LiDAR系统就是典型的dToF应用示例。间接飞行时间(iToF)方法类似，但有一个显著的区别。来自光源（通常为红外VCSEL）的照明被匀光片扩大，并发射脉冲（50%占空比）到定义的视场。在下游系统中，如果光没有遇到障碍物，存储的“标准信号”将在一段时间内触发探测器。如果物体中断该标准信号，系统可根据所产生的相移和脉冲序列的时延，确定探测器每个定义像素的深度信息。
两种主流TOF技术比较
飞行时间传感器具有精确快速、长距离和成本效益稿等特点，这是由激光的天然属性决定的。因此，ToF传感器具有灵活性，能够检测各种形状和大小的近距离和远距离物体，并且不受湿度、气压和温度的影响，适合于室内和室外使用。
应用优势
TOF传感器堪称机器人的“眼睛”，在汽车自动驾驶、工业LiDAR系统和消费电子领域发展势头良好。在汽车领域，AR抬头显示（HUD）功能可以提供舒适且安全的驾驶体验。驾驶员可以通过基于AR的HUD查看投影在显示屏上的虚拟信息。高级驾驶辅助系统（ADAS）可以利用基于AR的HUD显示视觉警报。汽车产业对AR HUD及投影的需求不断增长，推动了ToF传感器市场的增长。在炙手可热的元宇宙中，VR系统也正越来越多地用于娱乐、教育、医疗和工业领域。VR可以帮助用户在虚拟空间中模拟复杂的任务。通过在VR设备中利用ToF传感器测量到物体的距离，用户可以通过复杂而准确的位置/运动检测，更轻松地在虚拟空间中获得逼真的体验。在3D制图、室内导航、手势识别、对象扫描等场景，TOF传感器也在大显身手。当然，ToF传感器也有一些局限性，这主要便现在：（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您的接收器中，并产生伪影和不必要的反射，因为ToF传感器只需要反射一次的光即可进行测量。（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）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。
领导厂商
目前，ToF传感器市场的领导厂商主要有：德州仪器（Texas Instruments）、意法半导体（STMicroelectronics）、英飞凌（Infineon Technologies）、pmd Technologies、松下（Panasonic）、Teledyne Technologies、基恩士（Keyence）、夏普（Sharp）、索尼（Sony）、迈来芯（Melexis）、瑷镨瑞思（ESPROS）、艾迈斯半导体（ams）等。
意法半导体（ST）早在几年前就推出其第一代产品VL6180和VL53L0X，采用850nm的波长激光，最大测距大于40cm。最新产品多合一VL53L5多区直接ToF传感器模块嵌入式MCU和加速器，最大测距距离可达4米，测距区域多达64个。德州仪器（TI）于2013年就发布过ToF技术，2017年发布了3D TOF图像传感器OPT8241芯片，主要应用为3D扫描、手势控制等等，其终端应用在ATM、人数统计等等。迈来芯（Melexis）是全球五大顶级汽车半导体传感器供应商之一，在汽车市场有着绝对的优势，可以说现在平均每辆车就有8颗迈来芯品牌的芯片。在汽车应用中，传感器数量越来越多，尤其是未来的自动驾驶，只有配备大量的高精准度的传感器才能让行驶更安全。在2017年，迈来芯推出了MLX75023 1/3英寸光学格式TOF传感器，芯产品MLX75026、MLX75027提供VGA分辨率及处理功能。ams半导体专注于高性能传感器解决方案，务范围包括传感器解决方案、传感器IC、接口和相关软件。ams在2017年收购Princeton Optronics，加强3D成像、AR/VR及汽车应用技术。最新产品为TMF8701、TMF8801集成了VCSEL红外发射器、多个SPAD光探测器、TDC转换器和直方图处理内核，即使传感器孔径脏污也能保持可靠性能。
AmsTMF8801单区dToF芯片功能框图
索尼（SONY）是传统CIS图像传感器制造商，原本在ToF市场并无涉足，但2015年收购SoftKinetic后推出DepthSense ToF感知技术。自此，SONY很快在智能手机市场成为最大的ToF传感器与解决方案供应商：华为、三星近两年的旗舰机都在用索尼的DepthSense方案。由于汽车、智能终端中的3D感知高歌猛进，叠加“元宇宙”推波助澜，ToF市场近两年十分活跃，目前还有企业正准备入市。这些后来者大部分是中国厂商，新面孔带来些新玩法很值得期待。
四个测距误差原因，针对性地解决误差问题
TOF（time-of-flight）是一种双向测距技术，利用数据信号在一对收发机之间往返的飞行时间来测量两点间的距离。如下图所示，我们将发射端信号的发出时间与接收端接收到信号的时间间隔记为Tt，将接收端接收到发射端信号与发出应答信号的反应间隔记为Tr，那么信号在两端之间进行单向飞行的时间Tf=（Tt-Tr）/2,那么发射端与接收端的距离则是d=c*Tf，即d=c*（Tt-Tr）/2，c为电磁波的传输速度。
亿佰特E28模块的测距功能是基于SX1280芯片之间的TOF测距，基本的测距操作过程如下：
首先一个模块作为主机模块发送出一次测距请求，同时主机模块启动内部计时器开始测距计时，另一个从机模式的模块接收到这次测距的请求。随后，从机开始处理这次测距请求，虽然从机不知道本次测距请求具体的发送时间，但是主机可以从从机的反馈中同步处理时间。需要注意的是，主从机使用的是各自的计时器，是分开独立计时的。最后，从机将同步处理完成的测距响应数据反馈给主机，主机在接收到这次数据反馈后从整个数据流程的时间反馈进行快速处理即可通过算法计算出数据在两个模块之间的往返时间，并进一步计算出模块之间的空间距离。
从整个测距流程中可以注意到，主机和从机是独立进行各自的数据处理的，在这个过程之中难免会产生一些误差，其中比较常见对的误差原因有如下几种：
1、主机和从机的时间计算都依赖于自己的独立计时器，因此如果主机与从机计时器的时钟频率不一致的话，在计算数据的时候就会产生错误，最终造成距离误差。这种误差一般称为频率误差；
2、测距信号会经过数模信号的调制处理后进行传输，在无线信号的发送和接收时会产生一定的延迟误差，这种误差在无线通信中是难以避免的，因此需要在最终的计算过程中对延迟误差进行补偿计算进行修正；
3、天线在进行数据的发送和接收时也可能会有一些延迟。与上一种延迟相比，这种延迟可能并不均匀，因为天线在某一个方向辐射而产生的延迟可能会和别的方向有所区别；
4、无线数据在发射端到接收端之间可能会出现反射和衍射的现象，这也会对最终的数据计算有所影响。如果在发射端与接收端之间有其他障碍物存在的话，这种类型的影响会变得更加严重。
对于不同的误差源，需要进行不同的处理。如果是因为某种延迟而引起的固定误差则需要在最终计算的时候进行补偿计算进行误差修正；如果是因为其他特殊的原因引起的计算误差则需要主机或从机模块依据实际的信号情况进行纠错或补偿。
来源：头条/阿翼的翼是会飞的毅、亿佰特物联网实验室
/3 
