【圖解】TOF影像感測器是什麼：利用光進行測距的影像技術

前言

TOF（Time-of-Flight）技術是利用光的飛行時間來測量距離的技術。這項技術廣泛應用於智慧型手機相機、AR/VR、自動駕駛汽車、機器人以及無人機等需要自律運作的領域。

目前，TOF感測器的測量精度從數公分提升至最先進的數十微米，應用範圍越來越廣。本篇文章將向廣大的讀者介紹TOF技術的基本概念、最新技術進展以及實用化面臨的挑戰。

TOF 感測器是透過向目標物體發射光，並測量反射光返回所需的時間來計算距離。距離的計算使用以下公式：

L = (c × TTOF) / 2

主要有以下兩種方式：

使用 SPAD（Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極體）檢測光子的方式。此方式可以實現高精度的時間測量，但由於電路面積較大且成本較高，因此可能僅限於特定用途。該技術廣泛應用於自動駕駛汽車和 LIDAR（光探測與測距）系統。

利用光源與感測器同步的光調制，通過測量相位差來計算距離的方式。由於具有高分辨率和面積效率，因此被廣泛應用於智慧型手機和家用設備等多種應用場景。

距離影像是指每個像素都包含物體到感測器距離資訊的二維數據。與普通相機記錄亮度和顏色不同，距離影像記錄的是深度資訊。這種影像格式在 3D 建模、物體檢測以及機器人的導航中發揮著重要作用。

TOF 感測器基於光飛行時間測量距離，並將該資訊以像素為單位轉化為影像化數據。過程包括以下步驟：

為了提高 TOF 感測器的精度，降低 1/f 噪聲是不可或缺的。最新的研究引入了參考處理技術，通過識別噪聲源並消除相關的噪聲成分，有效地降低了干擾。

利用高速電荷調制技術，可以大幅提高時間軸的測量精度。此外，透過引入電荷放大器，消除了非線性影響，實現了更精確的距離測量。

為了準確測量低反射率的物體或鏡面反射的目標，必須擴展感測器的動態範圍。透過使用飽和檢測電路，可以防止因強反射光導致的飽和，同時能精確測量微弱的反射光，相關技術已被開發並持續改進中。

利用短脈衝雷射和晶片內延遲電路，可優化測量範圍與解析度之間的平衡，相關技術正在快速發展中。

TOF 技術預計將在未來進一步發展，並在各個領域中的應用持續擴大。特別是以下幾個方向備受關注：

TOF 感測器正逐漸成為未來智慧裝置、自動駕駛及機器人技術的核心支柱。本篇文章從 TOF 技術的基礎到最新動向進行了介紹，期望能讓您對其潛力有更深刻的理解與體會。