1. Què és un sensor de temps de vol (ToF)?

Què és una càmera de temps de vol? És la càmera que captura el vol de l'avió? Té alguna cosa a veure amb avions o avions? Doncs bé, en realitat és molt lluny!

La ToF és una mesura del temps que triga un objecte, partícula o ona a recórrer una distància. Sabies que funciona el sistema de sonar d'un ratpenat? El sistema de temps de vol és similar!

Hi ha molts tipus de sensors de temps de vol, però la majoria són càmeres de temps de vol i escàners làser, que utilitzen una tecnologia anomenada lidar (detecció i mesurament de distància de la llum) per mesurar la profunditat de diversos punts d'una imatge fent-hi il·luminar amb llum infraroja.

Les dades generades i capturades mitjançant sensors ToF són molt útils, ja que poden proporcionar detecció de vianants, autenticació d'usuaris basada en trets facials, mapatge de l'entorn mitjançant algoritmes SLAM (localització i mapatge simultanis) i més.

Aquest sistema s'utilitza àmpliament en robots, cotxes autònoms i fins i tot ara en el vostre dispositiu mòbil. Per exemple, si feu servir Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, etc., el vostre telèfon té una càmera ToF!

Una càmera ToF

2. Com funciona el sensor de temps de vol?

Ara, voldríem fer una breu introducció sobre què és un sensor de temps de vol i com funciona.

ToFEls sensors utilitzen làsers diminuts per emetre llum infraroja, on la llum resultant rebota en qualsevol objecte i torna al sensor. Basant-se en la diferència de temps entre l'emissió de la llum i el retorn al sensor després de ser reflectida per l'objecte, el sensor pot mesurar la distància entre l'objecte i el sensor.

Avui, explorarem dues maneres en què ToF utilitza el temps de viatge per determinar la distància i la profunditat: mitjançant polsos de sincronització i mitjançant el canvi de fase d'ones modulades per amplitud.

Utilitzeu pulsacions temporitzades

Per exemple, funciona il·luminant un objectiu amb un làser, després mesurant la llum reflectida amb un escàner i, a continuació, utilitzant la velocitat de la llum per extrapolar la distància de l'objecte per calcular amb precisió la distància recorreguda. A més, la diferència entre el temps de retorn del làser i la longitud d'ona s'utilitza per fer una representació digital en 3D precisa i les característiques superficials de l'objectiu, i cartografiar visualment les seves característiques individuals.

Com podeu veure a dalt, la llum làser es dispara i després rebota de l'objecte de tornada al sensor. Amb el temps de retorn del làser, les càmeres ToF poden mesurar distàncies precises en un curt període de temps, donada la velocitat de viatge de la llum. (ToF es converteix en distància) Aquesta és la fórmula que utilitza un analista per arribar a la distància exacta d'un objecte:

(velocitat de la llum x temps de vol) / 2

El ToF es converteix en distància

Com podeu veure, el temporitzador s'iniciarà mentre la llum està apagada, i quan el receptor rebi la llum de retorn, el temporitzador retornarà el temps. En restar dues vegades, s'obté el "temps de vol" de la llum, i la velocitat de la llum és constant, de manera que la distància es pot calcular fàcilment utilitzant la fórmula anterior. D'aquesta manera, es poden determinar tots els punts de la superfície de l'objecte.

Utilitzeu el canvi de fase de l'ona AM

A continuació, elToFtambé pot utilitzar ones contínues per detectar el canvi de fase de la llum reflectida per determinar la profunditat i la distància.

Canvi de fase mitjançant ona AM

Modulant l'amplitud, crea una font de llum sinusoidal amb una freqüència coneguda, cosa que permet al detector determinar el canvi de fase de la llum reflectida mitjançant la fórmula següent:

on c és la velocitat de la llum (c = 3 × 10^8 m/s), λ és una longitud d'ona (λ = 15 m) i f és la freqüència, cada punt del sensor es pot calcular fàcilment en profunditat.

Totes aquestes coses passen molt ràpid, ja que treballem a la velocitat de la llum. Us imagineu la precisió i la velocitat amb què els sensors són capaços de mesurar? Deixeu-me posar un exemple: la llum viatja a una velocitat de 300.000 quilòmetres per segon; si un objecte es troba a 5 m de distància, la diferència de temps entre la llum que surt de la càmera i la que torna és d'uns 33 nanosegons, cosa que equival només a 0,000000033 segons! Ostres! Per no esmentar que les dades capturades us donaran una representació digital en 3D precisa de cada píxel de la imatge.

Independentment del principi utilitzat, proporcionar una font de llum que il·lumini tota l'escena permet que el sensor determini la profunditat de tots els punts. Aquest resultat proporciona un mapa de distàncies on cada píxel codifica la distància fins al punt corresponent de l'escena. El següent és un exemple d'un gràfic de rang ToF:

Un exemple d'un gràfic de rang ToF

Ara que sabem que el ToF funciona, per què és bo? Per què utilitzar-lo? Per a què serveixen? No us preocupeu, hi ha molts avantatges d'utilitzar un sensor ToF, però és clar que hi ha algunes limitacions.

3. Els beneficis de l'ús de sensors de temps de vol

Mesura precisa i ràpida

En comparació amb altres sensors de distància com els ultrasons o els làsers, els sensors de temps de vol són capaços de compondre una imatge 3D d'una escena molt ràpidament. Per exemple, una càmera ToF només pot fer-ho una vegada. No només això, el sensor ToF és capaç de detectar objectes amb precisió en poc temps i no es veu afectat per la humitat, la pressió de l'aire ni la temperatura, cosa que el fa adequat tant per a ús interior com exterior.

llarga distància

Com que els sensors ToF utilitzen làsers, també són capaços de mesurar llargues distàncies i rangs amb alta precisió. Els sensors ToF són flexibles perquè poden detectar objectes propers i llunyans de totes les formes i mides.

També és flexible en el sentit que podeu personalitzar l'òptica del sistema per a un rendiment òptim, on podeu triar els tipus de transmissor i receptor i les lents per obtenir el camp de visió desitjat.

Seguretat

Preocupat que el làser delToFEl sensor et farà mal als ulls? No et preocupis! Molts sensors ToF ara utilitzen un làser infraroig de baixa potència com a font de llum i l'alimenten amb polsos modulats. El sensor compleix els estàndards de seguretat làser de classe 1 per garantir que sigui segur per a l'ull humà.

rendible

En comparació amb altres tecnologies d'escaneig de rang de profunditat 3D, com ara els sistemes de càmeres de llum estructurada o els telèmetres làser, els sensors ToF són molt més econòmics.

Malgrat totes aquestes limitacions, el ToF continua sent molt fiable i un mètode molt ràpid per capturar informació 3D.

4. Limitacions de la ToF

Tot i que el ToF té molts avantatges, també té limitacions. Algunes de les limitacions del ToF inclouen:

• Llum dispersa

Si les superfícies molt brillants són molt a prop del sensor ToF, poden dispersar massa llum al receptor i crear artefactes i reflexions no desitjades, ja que el sensor ToF només necessita reflectir la llum un cop el mesurament està a punt.

• Reflexions múltiples

Quan s'utilitzen sensors ToF en cantonades i formes còncaves, poden causar reflexions no desitjades, ja que la llum pot rebotar diverses vegades, distorsionant la mesura.

• Llum ambiental

L'ús de la càmera ToF a l'aire lliure amb molta llum solar pot dificultar-ne l'ús. Això es deu a l'alta intensitat de la llum solar, que fa que els píxels del sensor es saturin ràpidament, cosa que fa impossible detectar la llum real reflectida per l'objecte.

• La conclusió

Sensors ToF iLent ToFes pot utilitzar en una varietat d'aplicacions. Des de la cartografia 3D, l'automatització industrial, la detecció d'obstacles, els cotxes autònoms, l'agricultura, la robòtica, la navegació interior, el reconeixement de gestos, l'escaneig d'objectes, els mesuraments, la vigilància fins a la realitat augmentada! Les aplicacions de la tecnologia ToF són infinites.

Podeu contactar amb nosaltres per a qualsevol necessitat d'objectius ToF.

Chuang An Optoelectronics se centra en lents òptiques d'alta definició per crear una marca visual perfecta

Chuang An Optoelectronics ha produït ara una varietat deLents TOFcom ara:

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