TOF传感器是什么？其工作原理、分类、主要生产厂家及国产替代
TOF，Time-of-Flight，TOF传感器中文为飞行时间传感器，通过测量光往返于传感器与目标物体之间所需的时间，从而计算距离，为了避免可见光干扰，一般使用红外光。
TOF的工作过程
1. 发射：传感器内部具备发光元件，一般为VCSEL激光二极管，传感器内部的发光元件发射出调制过的光脉冲或连续波。2. 传播：发射出的光在空气中传播，遇到目标物体后被反射。
3. 接收：传感器内部的光电探测器接收从目标物体反射回来的光信号。
4. 计时：传感器内部精密的计时电路测量从光脉冲发射时刻到接收反射光脉冲时刻之间的时间差Δt。
5. 计算：利用光速c ≈ 3×10⁸ m/s是一个恒定常数的特性，通过简单的物理公式计算距离d：
d = (c * Δt) / 2
TOF分类
TOF的分类区分由调制方式决定，实现TOF测量的调制技术主要有两种：
1.dToF， Direct Time-of-Flight, 脉冲式TOFdToF发射管发射短而强的光脉冲，接收器接收到返回光脉冲，然后测量脉冲的发射和接收之间的时间间隔 Δt。dTOF原理直接，抗环境光干扰，适合较远距离测量。但需要非常精确的计时电路，短距离时需精确到皮秒级，对脉冲宽度和接收器响应速度要求高。
2.iToF ，Indirect Time-of-Flight，连续波调制TOFiToF发射高频正弦波或方波调制的连续光波，接收器接收返回光波后，不直接测量时间，而是测量发射波与接收反射波之间的相位差 (Δφ)，距离通过相位差计算：d = (c * Δφ) / (4πf)f：调制频率。
Δφ：相位差。
iToF电路相对dToF容易实现，集成度高，成本较低，适合近距离高精度应用。但易受环境光尤其是同频率调制光和多路径干扰影响，测量距离受限于调制频率，频率越高，最大不模糊距离越小。
TOF传感器主要生产厂家及常用型号
1.STMicroelectronics (意法半导体)VL53L系列，VL53L0X, VL53L1X, VL53L3CX, VL53L5CX等):，广泛用于手机对焦、接近感应、消费电子、机器人避障等。VL53L5CX是其首款多区域ToF传感器。FlightSense™是ST TOF技术的品牌名。
2.Texas Instruments (德州仪器)
OPT3101: 高性能、抗干扰能力强的单点iToF传感器。
OPT4048: 集成环境光传感器的iToF传感器。
TI也提供用于构建自定义ToF系统的AFE芯片。
3.Analog Devices (亚德诺半导体)
ADTF3175/ADSD3100: 高分辨率iToF模块，适用于深度感知、3D扫描、机器人视觉等。
ADI提供高性能dToF和iToF解决方案，常用于工业、汽车和高端应用。
4.Infineon (英飞凌)REAL3™ 系列：IRS2771C, IRS2877A 等， 主要用于手机后置摄像头的iToF深度传感器，如人脸识别解锁、背景虚化、AR。
5.Sony (索尼)DepthSense™：IMX556、IMX570、 IMX611等:，高性能背照式SPAD dToF图像传感器。IMX556是苹果iPad Pro和iPhone Pro系列激光雷达扫描仪的核心部件。利用SPAD阵列实现高灵敏度、长距离的dToF深度图获取。
6.国产厂商及国产替代
炬佑智能 (SmartSens)：提供iToF传感器芯片 ，如TCS3701以及相关解决方案。
芯视界微电子 (VisionICs)：专注于dToF SPAD传感器和芯片 ，有VI4300、VI5300等，颖特新科技为其核心代理商。
灵明光子 (LuminWave)：专注于SPAD和dToF技术 ，有ADS3003等。
飞芯电子 (ABOV Semiconductor):提供ToF传感器产品。
如何提高TOF传感器精度
提高TOF精度是一个系统工程，涉及硬件、软件和环境控制等多个方面：
1. 根据使用距离选择合适类型的传感器
高精度、中短距离条件，iToF通常能提供更好的点云精度，可达亚厘米级，但要注意其最大不模糊距离限制。 长距离条件，dToF尤其是SPAD阵列在较远距离和复杂光环境下可能表现更好，精度受距离影响相对较小。
2. 可提高发射光功率，增加信号强度，提升信噪比，但需符合激光安全等级。也可通过用合适的镜头使光束更集中、均匀，减少杂散光和光斑不均匀性。
3. 使用高灵敏度探测器，如SPAD在dToF中具有单光子级别的探测能力，显著提升弱光下的信噪比和探测距离。
4. 可在接收光路前加装窄带通滤光片，只允许发射光波长的光通过，大幅抑制环境光干扰，提高光收集效率，精确控制视场角，减少杂散光进入。
5. 通过结构手段，抑制环境光干扰
6. 开发复杂的算法来识别和滤除多路径效应产生的错误信号，这对iToF尤其重要，dToF通过直方图分析能在一定程度上区分主峰和多路径峰。
7. TOF传感器的性能会随温度变化，可集成温度传感器并在固件中实现温度补偿算法。
8. 对每个传感器进行距离偏移、增益、串扰等参数的标定，并将校准数据存储在传感器或系统中。
9. 可对获取的原始深度图进行滤波、空洞填充、时域滤波等处理，平滑噪声和异常点。
10. 可结合其他传感器，如IMU的数据，进行运动补偿或辅助深度计算，提升整体精度和鲁棒性。
11. 通过精密的机械结构确保发射和接收光路的对准稳定，避免振动导致的光轴偏移。在PCB设计和布局上隔离发射和接收电路，防止发射信号直接泄漏到接收端。
总结
TOF传感器通过精确测量光的飞行时间来获取距离信息，主要分为dToF和iToF两种技术路线。市场上存在多种型号，从ST、TI、ADI、Infineon、Sony等国际大厂到众多国内新兴厂商都有涉足。随着SPAD技术、先进算法和集成度的不断提升，TOF传感器的精度和性能正在持续增强，应用范围也从消费电子扩展到工业自动化、汽车、医疗和机器人等更广阔的领域。
编辑：admin 最后修改时间：2026-01-12
