光学传感器 - 测距检测

光学传感器测距检测：原理、技术与应用详解

光学传感器测距技术利用光的特性精确测量物体距离，在现代科技中扮演着关键角色。本文将系统解析其核心原理、主流技术方案、性能特点及典型应用场景。

一、核心测距原理

光学测距本质是通过测量光信号的变化反推距离信息，主要依赖三大物理原理：

1. 光传播时间测量 (ToF)
   光速恒定（真空中约3×10⁸ m/s），通过精确测量光信号从发射到接收的时间差Δt，直接计算距离：距离 = (光速 × Δt) / 2。这是激光雷达、ToF相机等技术的核心基础。

2. 几何三角关系 (三角测距法)
   建立发射点、被测物反射点、接收点构成的三角形。已知基线长度（发射与接收点距离）和反射光角度，利用三角函数即可解算距离。该方法在激光三角位移传感器中广泛应用。

3. 光波相位差测量
   发射经调制的连续光波，测量接收信号与发射信号的相位偏移。相位差Δφ与距离成正比：距离 = (c × Δφ) / (4π × f_mod)，其中f_mod为调制频率。相位法常用于高精度短距离测量。

二、主流光学测距技术详解

1. 激光测距技术

   • 脉冲激光测距 (直接ToF - dToF)：

     • 原理： 发射高强度短脉冲激光，精确计时其往返时间。
     • 精度： 毫米至厘米级（高精度型号可达亚毫米）。
     • 优势： 测程远（可达数公里）、抗干扰强。
     • 局限： 短距离精度受限于计时电路精度。
     • 应用： 地形测绘、无人机避障、长距离工业检测。

   • 相位式激光测距：

     • 原理： 发射经正弦调制的连续激光，检测反射光相位差。
     • 精度： 可达亚毫米甚至微米级。
     • 优势： 精度极高，适合静态或慢速目标。
     • 局限： 测程相对较短（通常<100米），易受环境光调制干扰。
     • 应用： 精密工业检测、建筑测绘、位移监测。

   • 激光三角测距：

     • 原理： 如图1所示，激光束以固定角度射向目标，反射光被位置敏感探测器接收。目标位移导致光斑在探测器上移动，通过位移量计算距离。
     • 精度： 微米至毫米级。
     • 优势： 结构紧凑、响应快、成本适中、精度高。
     • 局限： 测量精度受目标表面特性影响，测量范围有限。
     • 应用： 工业自动化（零件尺寸、厚度、平整度检测）、机器人定位、表面轮廓扫描。

2. 红外测距技术

   • 原理： 发射调制的红外光（通常不可见），测量反射光的强度变化或飞行时间（ToF）。
   • 精度： 通常厘米级。
   • 优势： 成本低、体积小、功耗低、易于集成。
   • 局限： 易受强环境光干扰，测量精度和稳定性相对较低。
   • 应用： 消费电子产品（自动对焦辅助）、近距离避障（扫地机器人、玩具）、简单存在检测。

3. 飞行时间成像 (ToF Camera)

   • 原理： 采用面阵式ToF传感器，同时测量场景中每个像素点的深度信息。
   • 方式：
     • 直接ToF (dToF)： 测量单个光子飞行时间（需SPAD或SiPM探测器），适合远距离。
     • 间接ToF (iToF)： 测量调制光波相位差，适合中近距离。
   • 输出： 实时生成深度图像（点云）。
   • 优势： 可获取完整场景深度信息，帧率高。
   • 局限： 易受多路径反射干扰，精度受限于调制频率和光功率。
   • 应用： 体感交互、三维重建、机器人导航、人脸识别。

三、关键性能参数与选型考量

• 测量范围： 从几厘米到数公里不等，需根据应用选择。
• 精度与分辨率： 指测量值接近真值的程度及可分辨的最小距离变化。
• 响应速度： 完成单次测量所需时间，对动态应用至关重要。
• 视场角 (FOV)： 传感器能“看到”的角度范围。
• 目标特性影响： 表面颜色、材质（高反光/吸光/透明）、粗糙度显著影响测量效果。
• 环境光抗干扰： 对日光、灯光等背景光的抑制能力。
• 多目标分辨能力： 能否区分多个目标的距离。
• 成本、尺寸与功耗： 实际部署的重要约束条件。

四、应用场景概览

• 工业自动化： 零件尺寸在线检测、机器人精确抓取引导、传送带物体定位、液位高度监控、焊缝跟踪、平整度测量。
• 消费电子： 智能手机自动对焦、人脸解锁、AR/VR手势交互、扫地机器人导航避障。
• 汽车电子： 高级驾驶辅助系统（ADAS）中的激光雷达（LiDAR）、自动泊车传感器。
• 测绘与地理信息： 机载/地面激光扫描仪获取地形地貌数据。
• 安防监控： 入侵检测、人员计数、虚拟电子围栏。
• 医疗与健康： 非接触式生命体征监测、手术导航设备定位。

五、技术挑战与发展趋势

• 环境干扰抑制： 提升强环境光、雨雾烟尘、多路径反射下的鲁棒性仍是核心挑战。
• 精度与成本平衡： 面向大规模应用（如消费电子、自动驾驶）需持续优化性价比。
• 固态化与集成化： 采用MEMS振镜、OPA光学相控阵、VCSEL光源等技术实现纯固态扫描，提升可靠性与小型化。
• SPAD/SiPM探测器应用： 单光子探测技术提升ToF系统的灵敏度与测程。
• 多传感器融合： 结合摄像头、毫米波雷达、惯性传感器（IMU）数据，提升感知系统整体性能与可靠性。
• 计算成像与AI算法赋能： 利用先进算法解决噪声抑制、多路径干扰、数据插值等问题，提升测量质量与信息提取能力。

附录：技术对比与示意图

图1：激光三角测距原理示意图

(图示：激光束以固定角度θ射向目标，反射光点位置随目标距离d变化)

主流光学测距技术对比简表

光学测距传感器以其非接触、高精度、响应快等优势，已成为感知物理世界的关键工具。随着核心器件与算法的持续突破，其性能将不断提升，成本持续下降，应用边界也将不断拓展，为智能化进程提供不可或缺的空间感知能力。