1. ما هو مستشعر وقت الرحلة (ToF)؟

ما هي كاميرا وقت الرحلة؟ هل الكاميرا هي التي تلتقط رحلة الطائرة؟ هل لها علاقة بالطائرات أو الطائرات؟ حسنًا، إنه في الواقع طريق طويل!

ToF هو مقياس للوقت الذي يستغرقه جسم أو جسيم أو موجة للسفر لمسافة ما. هل تعلم أن نظام السونار الخاص بالخفافيش يعمل؟ نظام وقت الرحلة مشابه!

هناك أنواع عديدة من أجهزة استشعار وقت الرحلة، ولكن معظمها عبارة عن كاميرات وقت الرحلة وماسحات ضوئية بالليزر، والتي تستخدم تقنية تسمى ليدار (كشف الضوء والمدى) لقياس عمق النقاط المختلفة في الصورة عن طريق تسليطها مع ضوء الأشعة تحت الحمراء.

تعد البيانات التي يتم إنشاؤها والتقاطها باستخدام مستشعرات ToF مفيدة جدًا لأنها يمكن أن توفر الكشف عن المشاة ومصادقة المستخدم بناءً على ميزات الوجه ورسم خرائط البيئة باستخدام خوارزميات SLAM (التعريب ورسم الخرائط المتزامنة) والمزيد.

يُستخدم هذا النظام على نطاق واسع في الواقع في الروبوتات والسيارات ذاتية القيادة وحتى الآن في جهازك المحمول. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم Huawei P30 Pro، وOppo RX17 Pro، وLG G8 ThinQ، وما إلى ذلك، فإن هاتفك يحتوي على كاميرا ToF!

كاميرا ToF

2. كيف يعمل مستشعر وقت الرحلة؟

الآن، نود أن نقدم مقدمة موجزة عن ماهية مستشعر وقت الرحلة وكيفية عمله.

ToFتستخدم المستشعرات أشعة ليزر صغيرة لإصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء، حيث يرتد الضوء الناتج عن أي جسم ويعود إلى المستشعر. بناءً على الفارق الزمني بين انبعاث الضوء وعودته إلى المستشعر بعد انعكاسه بواسطة الجسم، يستطيع المستشعر قياس المسافة بين الجسم والمستشعر.

سنستكشف اليوم طريقتين لكيفية استخدام ToF لوقت السفر لتحديد المسافة والعمق: استخدام نبضات التوقيت، واستخدام تحويل الطور للموجات المعدلة السعة.

استخدم نبضات موقوتة

على سبيل المثال، يعمل عن طريق إضاءة هدف بالليزر، ثم قياس الضوء المنعكس باستخدام الماسح الضوئي، ثم استخدام سرعة الضوء لاستقراء مسافة الجسم لحساب المسافة المقطوعة بدقة. بالإضافة إلى ذلك، يتم بعد ذلك استخدام الفرق في وقت إرجاع الليزر والطول الموجي لعمل تمثيل رقمي دقيق ثلاثي الأبعاد وميزات سطح الهدف، ورسم معالمه الفردية بصريًا.

كما ترون أعلاه، يتم إطلاق ضوء الليزر ثم يرتد من الجسم إلى المستشعر. بفضل وقت عودة الليزر، تستطيع كاميرات ToF قياس المسافات الدقيقة في فترة زمنية قصيرة نظرًا لسرعة انتقال الضوء. (يتحول ToF إلى مسافة) هذه هي الصيغة التي يستخدمها المحلل للوصول إلى المسافة الدقيقة للكائن:

(سرعة الضوء × زمن الرحلة) / 2

ToF يتحول إلى المسافة

كما ترون، سيبدأ المؤقت أثناء إطفاء الضوء، وعندما يستقبل جهاز الاستقبال ضوء العودة، سيعيد المؤقت الوقت. عند الطرح مرتين، يتم الحصول على "زمن طيران" الضوء، وتكون سرعة الضوء ثابتة، لذلك يمكن حساب المسافة بسهولة باستخدام الصيغة أعلاه. وبهذه الطريقة يمكن تحديد جميع النقاط الموجودة على سطح الجسم.

استخدم تحول الطور لموجة AM

التالي،ToFويمكن أيضًا استخدام الموجات المستمرة للكشف عن تحول طور الضوء المنعكس لتحديد العمق والمسافة.

مرحلة التحول باستخدام موجة AM

من خلال تعديل السعة، فإنه يخلق مصدر ضوء جيبي بتردد معروف، مما يسمح للكاشف بتحديد تحول الطور للضوء المنعكس باستخدام الصيغة التالية:

حيث c هي سرعة الضوء (c = 3 × 10^8 م/ث)، α هو الطول الموجي (15 = 15 م)، وf هو التردد، ويمكن بسهولة حساب كل نقطة على المستشعر بعمق.

كل هذه الأشياء تحدث بسرعة كبيرة عندما نعمل بسرعة الضوء. هل يمكنك أن تتخيل الدقة والسرعة التي تستطيع أجهزة الاستشعار قياسها؟ دعوني أعطي مثالاً، الضوء ينتقل بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية، إذا كان هناك جسم على بعد 5 أمتار منك، فإن الفارق الزمني بين خروج الضوء من الكاميرا وعودته هو حوالي 33 نانو ثانية، أي ما يعادل 0.000000033 ثانية فقط! رائع! ناهيك عن أن البيانات الملتقطة ستمنحك تمثيلاً رقميًا دقيقًا ثلاثي الأبعاد لكل بكسل في الصورة.

وبغض النظر عن المبدأ المستخدم، فإن توفير مصدر ضوء ينير المشهد بأكمله يسمح للمستشعر بتحديد عمق جميع النقاط. تمنحك هذه النتيجة خريطة مسافة حيث يقوم كل بكسل بتشفير المسافة إلى النقطة المقابلة في المشهد. فيما يلي مثال على الرسم البياني لنطاق ToF:

مثال على الرسم البياني لنطاق ToF

الآن بعد أن علمنا أن ToF يعمل، لماذا هو جيد؟ لماذا استخدامه؟ ما هي جيدة ل؟ لا تقلق، هناك العديد من المزايا لاستخدام مستشعر ToF، ولكن بالطبع هناك بعض القيود.

3. فوائد استخدام أجهزة استشعار وقت الرحلة

قياس دقيق وسريع

بالمقارنة مع أجهزة استشعار المسافة الأخرى مثل الموجات فوق الصوتية أو الليزر، فإن أجهزة استشعار وقت الرحلة قادرة على تكوين صورة ثلاثية الأبعاد للمشهد بسرعة كبيرة. على سبيل المثال، يمكن لكاميرا ToF القيام بذلك مرة واحدة فقط. ليس هذا فحسب، بل إن مستشعر ToF قادر على اكتشاف الأشياء بدقة في وقت قصير ولا يتأثر بالرطوبة وضغط الهواء ودرجة الحرارة، مما يجعله مناسبًا للاستخدام الداخلي والخارجي.

مسافة طويلة

نظرًا لأن مستشعرات ToF تستخدم الليزر، فهي أيضًا قادرة على قياس المسافات والمدىات الطويلة بدقة عالية. تتميز مستشعرات ToF بالمرونة لأنها قادرة على اكتشاف الأشياء القريبة والبعيدة بجميع الأشكال والأحجام.

كما أنه مرن بمعنى أنك قادر على تخصيص بصريات النظام للحصول على الأداء الأمثل، حيث يمكنك اختيار أنواع وعدسات جهاز الإرسال والاستقبال للحصول على مجال الرؤية المطلوب.

أمان

قلق من أن الليزر منToFهل سيؤذي المستشعر عينيك؟ لا تقلق! تستخدم العديد من مستشعرات ToF الآن ليزر الأشعة تحت الحمراء منخفض الطاقة كمصدر للضوء وتقوم بتشغيله بنبضات معدلة. يلبي المستشعر معايير سلامة الليزر من الفئة 1 لضمان أنه آمن للعين البشرية.

فعالة من حيث التكلفة

بالمقارنة مع تقنيات المسح العميق ثلاثية الأبعاد الأخرى مثل أنظمة الكاميرا الضوئية المنظمة أو أجهزة تحديد المدى بالليزر، فإن مستشعرات ToF أرخص بكثير مقارنة بها.

على الرغم من كل هذه القيود، لا تزال ToF موثوقة جدًا وطريقة سريعة جدًا لالتقاط المعلومات ثلاثية الأبعاد.

4. حدود ToF

على الرغم من أن ToF له العديد من الفوائد، إلا أن له أيضًا قيودًا. تتضمن بعض قيود ToF ما يلي:

• ضوء متناثر

إذا كانت الأسطح شديدة السطوع قريبة جدًا من مستشعر ToF الخاص بك، فقد تبعثر الكثير من الضوء في جهاز الاستقبال الخاص بك وتخلق آثارًا وانعكاسات غير مرغوب فيها، نظرًا لأن مستشعر ToF الخاص بك يحتاج فقط إلى عكس الضوء بمجرد أن يصبح القياس جاهزًا.

• تأملات متعددة

عند استخدام مستشعرات ToF على الزوايا والأشكال المقعرة، فإنها يمكن أن تسبب انعكاسات غير مرغوب فيها، حيث يمكن أن يرتد الضوء عدة مرات، مما يؤدي إلى تشويه القياس.

• الضوء المحيط

قد يؤدي استخدام كاميرا ToF في الهواء الطلق تحت ضوء الشمس الساطع إلى صعوبة الاستخدام في الهواء الطلق. ويرجع ذلك إلى كثافة ضوء الشمس العالية التي تتسبب في تشبع وحدات البكسل الخاصة بالمستشعر بسرعة، مما يجعل من المستحيل اكتشاف الضوء الفعلي المنعكس من الجسم.

• الاستنتاج

أجهزة استشعار ToF وعدسة ToFيمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. من رسم الخرائط ثلاثية الأبعاد، والأتمتة الصناعية، واكتشاف العوائق، والسيارات ذاتية القيادة، والزراعة، والروبوتات، والملاحة الداخلية، والتعرف على الإيماءات، ومسح الكائنات، والقياسات، والمراقبة إلى الواقع المعزز! تطبيقات تقنية ToF لا حصر لها.

يمكنك الاتصال بنا بخصوص أي احتياجات تتعلق بعدسات ToF.

تركز شركة Chuang An Optoelectronics على العدسات البصرية عالية الوضوح لإنشاء علامة تجارية مرئية مثالية

أنتجت شركة Chuang An Optoelectronics الآن مجموعة متنوعة منعدسات TOFمثل:

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2″ IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2″ IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3652B f3.3mm F1.1 1/3″ IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3653B f3.9mm F1.1 1/3″ IR940nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm