1. ما هو مستشعر زمن الرحلة (ToF)؟

ما هي كاميرا قياس زمن الرحلة؟ هل هي الكاميرا التي تلتقط مسار الطائرة؟ هل لها علاقة بالطائرات؟ حسنًا، الأمر ليس بهذه البساطة!

زمن الرحلة هو مقياس للوقت الذي يستغرقه جسم أو جسيم أو موجة لقطع مسافة معينة. هل تعلم أن نظام السونار لدى الخفافيش يعمل؟ نظام زمن الرحلة مشابه له!

هناك أنواع عديدة من أجهزة استشعار زمن الرحلة، لكن معظمها عبارة عن كاميرات زمن الرحلة وماسحات ليزرية، والتي تستخدم تقنية تسمى ليدار (الكشف عن الضوء وتحديد المدى) لقياس عمق النقاط المختلفة في الصورة عن طريق تسليط ضوء الأشعة تحت الحمراء عليها.

تُعد البيانات التي يتم إنشاؤها والتقاطها باستخدام مستشعرات ToF مفيدة للغاية لأنها يمكن أن توفر اكتشاف المشاة، ومصادقة المستخدم بناءً على ملامح الوجه، ورسم خرائط البيئة باستخدام خوارزميات SLAM (التحديد المتزامن للموقع ورسم الخرائط)، وغير ذلك الكثير.

يُستخدم هذا النظام على نطاق واسع في الروبوتات والسيارات ذاتية القيادة، وحتى في أجهزتك المحمولة. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم هاتف Huawei P30 Pro أو Oppo RX17 Pro أو LG G8 ThinQ، فإن هاتفك مزود بكاميرا ToF!

كاميرا ToF

2. كيف يعمل مستشعر زمن الرحلة؟

والآن، نود أن نقدم مقدمة موجزة عن ماهية مستشعر زمن الرحلة وكيف يعمل.

زمن الرحلةتستخدم المستشعرات أشعة ليزر دقيقة لإصدار ضوء تحت أحمر، حيث يرتد الضوء الناتج عن أي جسم ويعود إلى المستشعر. وبناءً على الفرق الزمني بين انبعاث الضوء وعودته إلى المستشعر بعد انعكاسه عن الجسم، يستطيع المستشعر قياس المسافة بين الجسم والمستشعر.

اليوم، سنستكشف طريقتين تستخدمهما تقنية قياس زمن الرحلة لتحديد المسافة والعمق: باستخدام نبضات التوقيت، وباستخدام إزاحة الطور للموجات المعدلة السعة.

استخدم نبضات موقوتة

فعلى سبيل المثال، تعمل هذه التقنية عن طريق تسليط شعاع ليزر على الهدف، ثم قياس الضوء المنعكس باستخدام الماسح الضوئي، ثم استخدام سرعة الضوء لاستقراء مسافة الجسم وحساب المسافة المقطوعة بدقة. إضافةً إلى ذلك، يُستخدم الفرق في زمن عودة شعاع الليزر وطوله الموجي لإنشاء تمثيل رقمي ثلاثي الأبعاد دقيق وخصائص سطح الهدف، ورسم خريطة بصرية لخصائصه الفردية.

كما هو موضح أعلاه، يُطلق ضوء الليزر ثم يرتد عن الجسم عائدًا إلى المستشعر. وبفضل زمن عودة الليزر، تستطيع كاميرات قياس زمن الرحلة (ToF) قياس المسافات بدقة عالية في فترة زمنية قصيرة، وذلك بالنظر إلى سرعة الضوء. (يُحوّل قياس زمن الرحلة إلى مسافة). هذه هي الصيغة التي يستخدمها المحلل للوصول إلى المسافة الدقيقة للجسم:

(سرعة الضوء × زمن الرحلة) / 2

يتم تحويل زمن الرحلة (ToF) إلى مسافة

كما تلاحظ، سيبدأ المؤقت بالعمل عندما يكون الضوء مطفأً، وعندما يستقبل جهاز الاستقبال الضوء العائد، سيعيد المؤقت الوقت. وبطرح الوقت مرتين، نحصل على "زمن انتقال" الضوء، وبما أن سرعة الضوء ثابتة، يمكن حساب المسافة بسهولة باستخدام الصيغة المذكورة أعلاه. وبهذه الطريقة، يمكن تحديد جميع النقاط على سطح الجسم.

استخدم إزاحة الطور لموجة AM

ثم،زمن الرحلةيمكن أيضًا استخدام الموجات المستمرة للكشف عن إزاحة الطور للضوء المنعكس لتحديد العمق والمسافة.

إزاحة الطور باستخدام موجة AM

من خلال تعديل السعة، يتم إنشاء مصدر ضوء جيبي بتردد معروف، مما يسمح للكاشف بتحديد إزاحة الطور للضوء المنعكس باستخدام الصيغة التالية:

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

كل هذه الأمور تحدث بسرعة فائقة، فنحن نعمل بسرعة الضوء. هل يمكنك تخيل دقة وسرعة أجهزة الاستشعار في القياس؟ دعني أضرب لك مثالاً: ينتقل الضوء بسرعة 300,000 كيلومتر في الثانية، فإذا كان جسم ما على بُعد 5 أمتار منك، فإن الفرق الزمني بين خروج الضوء من الكاميرا وعودته يبلغ حوالي 33 نانوثانية، أي ما يعادل 0.000000033 ثانية فقط! يا للعجب! ناهيك عن أن البيانات الملتقطة ستمنحك تمثيلاً رقمياً ثلاثي الأبعاد دقيقاً لكل بكسل في الصورة.

بغض النظر عن المبدأ المستخدم، فإن توفير مصدر ضوء يُضيء المشهد بأكمله يسمح للمستشعر بتحديد عمق جميع النقاط. تُعطي هذه النتيجة خريطة مسافة حيث يُمثل كل بكسل المسافة إلى النقطة المقابلة في المشهد. فيما يلي مثال على رسم بياني لمدى قياس زمن الرحلة (ToF):

مثال على رسم بياني لمدى زمن الرحلة

الآن وقد عرفنا أن تقنية قياس زمن الطيران (ToF) تعمل، فلماذا هي مفيدة؟ ولماذا نستخدمها؟ وما هي استخداماتها؟ لا تقلق، هناك العديد من المزايا لاستخدام مستشعر قياس زمن الطيران، ولكن بالطبع هناك بعض القيود.

3. فوائد استخدام أجهزة استشعار زمن الرحلة

قياس دقيق وسريع

بالمقارنة مع أجهزة استشعار المسافة الأخرى كالموجات فوق الصوتية أو الليزر، تتميز أجهزة استشعار زمن الرحلة بقدرتها على تكوين صورة ثلاثية الأبعاد للمشهد بسرعة فائقة. فعلى سبيل المثال، لا تستطيع كاميرا زمن الرحلة القيام بذلك إلا مرة واحدة. إضافةً إلى ذلك، يتميز مستشعر زمن الرحلة بقدرته على رصد الأجسام بدقة عالية في وقت قصير، كما أنه لا يتأثر بالرطوبة أو ضغط الهواء أو درجة الحرارة، مما يجعله مناسبًا للاستخدام الداخلي والخارجي على حد سواء.

المسافات الطويلة

بما أن مستشعرات زمن الطيران (ToF) تستخدم الليزر، فهي قادرة على قياس المسافات الطويلة بدقة عالية. وتتميز هذه المستشعرات بمرونتها، إذ يمكنها رصد الأجسام القريبة والبعيدة بمختلف أشكالها وأحجامها.

كما أنها تتميز بالمرونة بمعنى أنه يمكنك تخصيص بصريات النظام للحصول على الأداء الأمثل، حيث يمكنك اختيار أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال والعدسات للحصول على مجال الرؤية المطلوب.

أمان

قلق من أن الليزر منزمن الرحلةهل يُؤذي المستشعر عينيك؟ لا تقلق! تستخدم العديد من مستشعرات قياس زمن الطيران (ToF) الآن ليزرًا بالأشعة تحت الحمراء منخفض الطاقة كمصدر للضوء، وتُشغّله بنبضات مُعدّلة. يتوافق المستشعر مع معايير السلامة الليزرية من الفئة الأولى لضمان سلامته على العين البشرية.

فعال من حيث التكلفة

بالمقارنة مع تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد الأخرى مثل أنظمة الكاميرا ذات الضوء المهيكل أو أجهزة تحديد المدى بالليزر، فإن مستشعرات ToF أرخص بكثير مقارنة بها.

على الرغم من كل هذه القيود، لا تزال تقنية قياس زمن الطيران (ToF) موثوقة للغاية وسريعة جدًا في التقاط المعلومات ثلاثية الأبعاد.

4. قيود تقنية قياس زمن الرحلة

على الرغم من فوائد تقنية قياس زمن الطيران (ToF) العديدة، إلا أنها تنطوي أيضاً على بعض القيود. ومن بين هذه القيود:

• الضوء المتناثر

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

• انعكاسات متعددة

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

• الإضاءة المحيطة

قد يُصعّب استخدام كاميرا ToF في الهواء الطلق تحت أشعة الشمس الساطعة استخدامها في الأماكن المفتوحة. ويعود ذلك إلى شدة ضوء الشمس العالية التي تُؤدي إلى تشبّع بكسلات المستشعر بسرعة، مما يجعل من المستحيل رصد الضوء الفعلي المنعكس من الجسم.

• الخلاصة

مستشعرات زمن الطيران وعدسة ToFيمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة، بدءًا من رسم الخرائط ثلاثية الأبعاد، والأتمتة الصناعية، واكتشاف العوائق، والسيارات ذاتية القيادة، والزراعة، والروبوتات، والملاحة الداخلية، والتعرف على الإيماءات، ومسح الأجسام، والقياسات، والمراقبة، وصولًا إلى الواقع المعزز! تطبيقات تقنية قياس زمن الرحلة (ToF) لا حصر لها.

يمكنكم الاتصال بنا لأي احتياجات تتعلق بعدسات ToF.

تركز شركة تشوانغ آن للإلكترونيات الضوئية على العدسات البصرية عالية الدقة لإنشاء علامة تجارية بصرية مثالية

أنتجت شركة تشوانغ آن للإلكترونيات الضوئية 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 بوصة IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3 بوصة IR940nm