ToF传感器（Time-of-Flight Sensor）知识介绍

ToF（Time-of-Flight，飞行时间）传感器是一种通过测量光或电磁波的飞行时间来计算物体距离的传感器。它广泛应用于测距、3D成像、避障、手势识别、自动驾驶、AR/VR等领域。

1. ToF传感器的工作原理

ToF传感器的原理是测量光（或电磁波）从发射到反射回传感器的时间，利用光速恒定（~3×10? m/s）计算距离：

关键步骤：

1. 发射：传感器发射红外光（通常波长850nm或940nm）或激光脉冲。

2. 反射：光线遇到物体后反射回传感器。

3. 接收：传感器接收反射光，并计算发射与接收的时间差（ΔtΔt）。

4. 计算距离：根据时间差和光速计算物体距离。

2. ToF传感器的分类

ToF传感器主要分为两种类型：

(1) 直接ToF（dToF, Direct Time-of-Flight）

• 原理：直接测量光脉冲的往返时间（通常用高精度计时器）。

• 特点：

  • 适合长距离测量（可达几十米）。

  • 抗干扰能力强。

  • 常用于激光雷达（LiDAR）、无人机避障等。

• 代表芯片：

  • ST VL53L0X / VL53L1X（短距离）

  • TI OPT3101（工业级）

(2) 间接ToF（iToF, Indirect Time-of-Flight）

• 原理：通过测量发射和接收光波的相位差计算时间（而非直接计时）。

• 特点：

  • 适合短距离（通常<5m）。

  • 分辨率高，适合3D成像（如手机人脸识别）。

  • 计算复杂度较高。

• 代表芯片：

  • Sony IMX556（用于手机3D摄像头）

  • Infineon IRS2877A（手势识别）

3. ToF传感器的组件

ToF传感器通常由以下部分组成：

• 光源：VCSEL（垂直腔面发射激光器）或LED（红外）。

• 光学镜头：聚焦发射光和接收反射光。

• 光电探测器：如SPAD（单光子雪崩二极管）或ToF专用CMOS传感器。

• 计时电路：高精度时间测量单元（TDC）。

• 信号处理器：计算距离或3D点云数据。

4. ToF传感器的应用场景

6. ToF传感器的优缺点

? 优点

• 高精度：毫米级~厘米级测距精度。

• 快速响应：适合动态场景（如手势识别）。

• 抗环境光干扰（部分型号支持调制解调技术）。

• 可测3D深度信息（用于建模、AR等）。

? 缺点

• 成本较高（相比超声波、红外测距）。

• 受强光干扰（阳光下可能失效）。

• 短距离分辨率有限（iToF在<10cm时误差较大）。

7. 典型ToF传感器模块