大家知道，光速是每秒約30萬公里，即C=300000000米/秒。如果想用光速測量距離，一般要非常遠才行。

然而，現在出現了一款相機，可以整合在手機內，用光測量幾米到幾十米的短距離。假設要測15米的距離，光到達被測物體再返回，來回為2倍的被測距離，即30米，那麼光飛行所需要的時間是：

30/300000000=0。0000001秒=0。0001毫秒=0。1微秒=100納秒

圖1：光測距原理

用相機進行納秒級別的測量？這在以前很難想象，它是怎麼實現的呢？

一、

100

納秒是什麼概念呢？

人類眨眼的時間是幾百毫秒；典型照相機的最短曝光時間為一毫秒；炸藥引線燒完到爆炸時間為幾十微秒。

如果我們採用傳統的測量方法，很難將100納秒測量準確，掐表的誤差已經遠超100納秒了。

不過我們常說的5G訊號，其訊號週期就只有0。2納秒。高速的電子電路，有可能識別超快光速的細微差別。

二、怎樣才能將

100

納秒測量出來

能不能用很高頻的光波去測量距離呢？TOF相機就是這樣工作的。

TOF（Time of flight）直譯為“飛行時間”。其測距原理是透過給目標連續傳送經過調製的高頻紅外光脈衝，然後用感測器接收從物體返回的光，透過探測光脈衝的飛行（往返）時間來得到目標物距離。

我們用圖簡單說明一下：

圖2：發射光脈衝及反射光脈衝

圖2中，第一行是發射出來的光脈衝訊號，其寬度為tp，我們可以設定tp=200納秒。

接收端以下幾種可能：

情形1：第二行的反射光脈衝1是個特例：也就是發射出去的光脈衝沒有任何延遲，全部被接收，所以這時候測量距離為0。

情形2：第四行的反射光脈衝3也是個特例：也就是發射出去的光脈衝在發射完畢後才回來，也就是這個光脈衝延遲超過了tp的時間，即200納秒。上面算過光100納秒走30米，那麼這個光脈衝走過的來回路程就是60米，測量距離為30米。超過這個距離，相機就分辨不出了，所以這是設計的最遠測量距離。

情形3：重點在第三行，它的反射光脈衝2剛好位於tp時間內，分成兩部分，t1和t2。如果這時候有示波器，我們能很容易測量出來脈衝延遲時間t2，假設是t2=150納秒，那麼可以很容易算出光走過的路程：150納秒x光速=2倍的被測距離=45米。

雖然t2是從發射脈衝結束開始測量的，不過無論從脈衝開始測量，還是從脈衝的中間測量，總的延遲都是等於t2。

問題是，我們不可能照相的時候帶一個高速示波器。那麼怎樣才能準確的知道t2的數值呢？

三、聯動快門

區分延遲

光訊號

和非延遲

光

訊號

我們知道，t1加t2剛好等於tp。我們可以用t1和t2時間段接收到的光子比例算出t2的具體時間。

圖3：聯動快門區分非延遲光訊號和延遲光訊號

圖2的左邊，接收1與發射在同一快門內，即發射的同時進行接收，所接收到的就是t1時間段內到達的光子數（可以叫Q1）。

發射完畢，高速快門瞬間切換到圖右邊，接收2開始接收，所接收到的就是t2時間段內到達的光子數（可以叫Q2）。

而Q2佔總接收到的光子（Q1+Q2）的比例，再乘以脈衝時間tp，就是準確的t2。

公式1表示了t2的計算方法，公式2表示了距離的計算方法，公式3是前兩個公式的綜合。

當然，單次的光脈衝訊號太弱，為了更好的區分，可以快速曝光幾千次（500納秒一次，一千次也只需要500微秒），直到訊號能被比較電路測量出來。

小結

TOF相機（可以叫光測距相機吧）充分利用了電子技術的特點：比如高速鏡頭快門；發射接收高頻光脈衝訊號，調製的光脈衝頻率可以高達100MHz；並用差分訊號比例計算出延遲時間，從而可以用光測量很近的距離。

能讓普通手機具備光測距功能，解析度高的甚至可以識別立體的人臉輪廓，不能不讓人驚歎。（大象韓 20201128）