2. ToF基本原理

ToF（Time of Flight，飞行时间）测距的核心思想非常朴素：光在介质中以有限速度传播，只要测出光从发射端出发、经目标反射后返回接收端所经历的时间，就能换算出距离。真空或空气中的光速约为 c ≈ 3×10⁸ m/s，对应关系为 d = c·t / 2，其中除以 2 是因为光走了一个往返。这个公式是所有 ToF 深度计算的起点，也是量产校准中一切误差分析的源头：时间测量偏差、光速假设偏差、系统延迟都会直接映射为距离偏差。

问题在于，光速太快。1 米距离对应的往返时间仅约 6.67 ns，若想达到 1 cm 精度，时间分辨率需优于约 67 ps。直接用高速计时器测量单次脉冲几乎不可行，因此工程上发展出两类主流方案：脉冲调制（dToF，直接飞行时间）与连续波调制（iToF，间接飞行时间）。前者直接对短脉冲计时，后者通过测量调制信号的相位差间接推算时间。理解这两条技术路线，是理解后续校准对象、误差来源和终检指标的前提。

一、脉冲调制与直接飞行时间

脉冲调制方式发射的是极短的光脉冲，接收端使用 SPAD（单光子雪崩二极管）等高灵敏度探测器，配合 TDC（时间数字转换器）记录光子到达时刻。系统统计多次发射—接收事件，形成光子到达时间直方图，直方图峰值位置即对应目标往返时间。其典型信号链为：激光驱动 → 发射脉冲 → 目标反射 → SPAD 探测 → TDC 计时 → 直方图统计 → 峰值提取 → 距离计算。

dToF 的优点是抗多径和环境光能力强、量程远，适合远距离与户外场景；缺点是 SPAD 与 TDC 的工艺复杂、像素填充因子受限、直方图统计需要较多累积时间。在量产中，dToF 的校准重点通常包括 TDC 延迟、SPAD 触发阈值、直方图 bin 宽度以及走时（walk error）随回波强度的漂移。

二、连续波调制与相位解调

iToF 不直接测时间，而是对发射光进行正弦或方波强度调制，频率通常为几十 MHz 到几百 MHz。接收端将回波与同频参考信号进行相关运算，得到多个相位采样点，再解算出相位差 φ。由于调制是周期性的，相位差与飞行时间满足 φ = 2πf·t，因此距离可写为：

d = c·φ / (4πf)

其中：
c = 光速（约 3×10^8 m/s）
φ = 发射与回波之间的相位差（弧度）
f = 调制频率（Hz）
d = 目标距离（m）

相位差只能落在 0～2π 内，因此单频 iToF 存在距离模糊，最大无模糊距离为 d_max = c / (2f)。例如 f = 100 MHz 时，d_max = 1.5 m。为扩展量程，工程上采用多频解模糊：用高频保证精度，用低频扩展无模糊范围，再通过中国剩余定理或查表法融合。这一机制直接决定了 iToF 的校准必须覆盖多个调制频率，并保证各频点相位一致性。

三、深度计算基础与四相位采样

实际 iToF 传感器常采用四相位采样法：在每个调制周期内分别采集 0°、90°、180°、270° 四个相位的电荷量，记为 C0、C1、C2、C3。由此可计算相位差与幅度：

φ = atan2(C3 - C1, C0 - C2)
A = sqrt((C0 - C2)^2 + (C3 - C1)^2) / 2
d = c·φ / (4πf)

其中幅度 A 反映回波强度，可用于置信度判断、多径识别和无效像素剔除。相位 φ 则直接决定深度。量产校准中，C0～C3 的偏移、增益不一致、非线性以及温度漂移都会污染 φ，因此需要逐像素或分区域进行相位校准与温度补偿。

四、典型场景与校准映射

以手机后置 ToF 模组为例，模组出厂前需在已知距离的标定板上采集多组相位数据，拟合出相位—距离曲线，并写入 OTP 或 Flash。终检时再在若干距离点复测，验证深度误差、重复性和温漂是否在规格内。若某频点相位偏差过大，会导致近距精度下降或远距解模糊失败，表现为深度图出现“跳变”或“空洞”。