1. Chì ghjè un sensore di tempu di volu (ToF)?

Chì ghjè una camera di tempu di volu ? Hè a camera chì cattura u volu di l'aviò ? Hà qualcosa à chì vede cù l'aviò o l'aviò ? Beh, hè in realtà assai luntanu !

U ToF hè una misura di u tempu chì ci vole à un oggettu, una particella o un'onda per viaghjà una distanza. Sapete chì u sistema sonar di un pipistrellu funziona? U sistema di tempu di volu hè simile!

Ci sò parechji tippi di sensori di tempu di volu, ma a maiò parte sò camere di tempu di volu è scanner laser, chì utilizanu una tecnulugia chjamata lidar (rilevazione è misurazione di a luce) per misurà a prufundità di diversi punti in una maghjina luminendula cù luce infrarossa.

I dati generati è catturati cù i sensori ToF sò assai utili postu chì ponu furnisce a rilevazione di i pedoni, l'autentificazione di l'utilizatori basata nantu à e caratteristiche facciali, a mappatura di l'ambiente cù l'algoritmi SLAM (localizazione è mappatura simultanea), è assai di più.

Stu sistema hè in realtà largamente utilizatu in i robot, e vitture autonome, è ancu avà u vostru dispositivu mobile. Per esempiu, sè utilizate Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, ecc., u vostru telefunu hà una camera ToF!

Una camera ToF

2. Cumu funziona u sensore di tempu di volu ?

Avà, vulemu fà una breve introduzione di ciò chì hè un sensore di tempu di volu è cumu funziona.

ToFI sensori utilizanu picculi laser per emette luce infrarossa, induve a luce risultante rimbalza nantu à qualsiasi ughjettu è torna à u sensore. Basatu annantu à a differenza di tempu trà l'emissione di luce è u ritornu à u sensore dopu esse stata riflessa da l'ughjettu, u sensore pò misurà a distanza trà l'ughjettu è u sensore.

Oghje, esploreremu 2 modi in cui ToF usa u tempu di viaghju per determinà a distanza è a prufundità: aduprendu impulsi di timing, è aduprendu u cambiamentu di fase di l'onde modulate in ampiezza.

Aduprà impulsi temporizati

Per esempiu, funziona illuminendu un bersagliu cù un laser, poi misurendu a luce riflessa cù un scanner, è dopu aduprendu a velocità di a luce per estrapolà a distanza di l'ughjettu per calculà precisamente a distanza percorsa. Inoltre, a differenza trà u tempu di ritornu di u laser è a lunghezza d'onda hè tandu aduprata per fà una rapprisentazione 3D digitale precisa è e caratteristiche di a superficia di u bersagliu, è mappendu visivamente e so caratteristiche individuali.

Cum'è pudete vede sopra, a luce laser hè emessa è poi rimbalza da l'ughjettu versu u sensore. Cù u tempu di ritornu di u laser, e camere ToF sò capaci di misurà distanze precise in un cortu periodu di tempu data a velocità di u viaghju di a luce. (ToF si cunverte in distanza) Questa hè a formula chì un analista usa per ghjunghje à a distanza esatta di un ughjettu:

(velocità di a luce x tempu di volu) / 2

ToF cunverte in distanza

Cum'è pudete vede, u cronometru si metterà in funzione mentre a luce hè spenta, è quandu u ricevitore riceve a luce di ritornu, u cronometru restituirà u tempu. Quandu si sottrae duie volte, si ottiene u "tempu di volu" di a luce, è a velocità di a luce hè costante, dunque a distanza pò esse facilmente calculata aduprendu a formula sopra. In questu modu, tutti i punti nantu à a superficia di l'ughjettu ponu esse determinati.

Aduprà u cambiamentu di fase di l'onda AM

Dopu, uToFpò ancu aduprà onde continue per rilevà u cambiamentu di fase di a luce riflessa per determinà a prufundità è a distanza.

Scambiu di fase cù l'onda AM

Modulendu l'amplitude, crea una fonte luminosa sinusoidale cù una frequenza cunnisciuta, chì permette à u rilevatore di determinà u sfasamentu di fase di a luce riflessa aduprendu a seguente formula:

induve c hè a velocità di a luce (c = 3 × 10^8 m/s), λ hè una lunghezza d'onda (λ = 15 m), è f hè a frequenza, ogni puntu nantu à u sensore pò esse facilmente calculatu in prufundità.

Tutte queste cose succedenu assai prestu mentre travagliamu à a velocità di a luce. Pudete imaginà a precisione è a velocità cù quale i sensori sò capaci di misurà ? Lasciami fà un esempiu, a luce viaghja à una velocità di 300 000 chilometri per seconda, se un ughjettu hè à 5 m di distanza da voi, a differenza di tempu trà a luce chì esce da a camera è quella chì torna hè di circa 33 nanosecondi, chì hè equivalente solu à 0,000000033 secondi ! Wow ! Senza cuntà chì i dati catturati vi daranu una rapprisentazione digitale 3D precisa per ogni pixel di l'imagine.

Indipendentemente da u principiu utilizatu, furnisce una fonte di luce chì illumina tutta a scena permette à u sensore di determinà a prufundità di tutti i punti. Un tale risultatu vi dà una mappa di distanza induve ogni pixel codifica a distanza à u puntu currispundente in a scena. Quì sottu hè un esempiu di un graficu di gamma ToF:

Un esempiu di un graficu di gamma ToF

Avà chì sapemu chì ToF funziona, perchè hè bonu ? Perchè aduprà lu ? À chì serve ? Ùn vi ne fate, ci sò parechji vantaghji à aduprà un sensore ToF, ma benintesa ci sò qualchi limitazioni.

3. I vantaghji di l'usu di sensori di tempu di volu

Misurazione precisa è rapida

In paragone cù altri sensori di distanza cum'è l'ultrasoni o i laser, i sensori di tempu di volu sò capaci di cumpone una maghjina 3D di una scena assai rapidamente. Per esempiu, una camera ToF pò fà questu solu una volta. Non solu què, u sensore ToF hè capace di rilevà l'uggetti cù precisione in pocu tempu è ùn hè micca affettatu da l'umidità, a pressione di l'aria è a temperatura, ciò chì u rende adattatu sia per l'usu internu sia per l'usu esterno.

longa distanza

Siccomu i sensori ToF utilizanu laser, sò ancu capaci di misurà longhe distanze è intervalli cù alta precisione. I sensori ToF sò flessibili perchè sò capaci di rilevà oggetti vicini è luntani di tutte e forme è dimensioni.

Hè ancu flessibile in u sensu chì pudete persunalizà l'ottica di u sistema per prestazioni ottimali, induve pudete sceglie i tipi di trasmettitore è ricevitore è lenti per ottene u campu di vista desideratu.

Sicurezza

Preoccupatu chì u laser di uToFU sensore vi ferà male à l'ochji ? Ùn vi ne fate ! Parechji sensori ToF utilizanu avà un laser infrarossu di bassa putenza cum'è fonte di luce è u pilotanu cù impulsi modulati. U sensore rispetta i standard di sicurezza laser di Classe 1 per assicurà ch'ellu sia sicuru per l'ochju umanu.

efficace in termini di costi

In paragone cù altre tecnulugie di scansione di prufundità 3D cum'è i sistemi di càmera à luce strutturata o i telemetri laser, i sensori ToF sò assai più economici paragunati à elli.

Malgradu tutte queste limitazioni, ToF hè sempre assai affidabile è un metudu assai veloce per catturà informazioni 3D.

4. Limitazioni di ToF

Ancu s'è ToF hà parechji vantaghji, hà ancu limitazioni. Alcune di e limitazioni di ToF includenu:

• Luce sparsa

Sè e superfici assai luminose sò assai vicine à u vostru sensore ToF, puderanu sparghje troppu luce in u vostru ricevitore è creà artefatti è riflessioni indesiderate, postu chì u vostru sensore ToF hà bisognu di riflette a luce solu una volta chì a misurazione hè pronta.

• Riflessioni multiple

Quandu si utilizanu sensori ToF nantu à l'anguli è e forme concave, ponu causà riflessioni indesiderate, postu chì a luce pò rimbalzà parechje volte, distorcendu a misurazione.

• Luce ambientale

L'usu di a camera ToF à l'apertu in piena luce solare pò rende difficiule l'usu à l'apertu. Questu hè duvutu à l'alta intensità di a luce solare chì face chì i pixel di u sensore si saturinu rapidamente, rendendu impussibile di rilevà a luce reale riflessa da l'ughjettu.

• A cunclusione

Sensori ToF èLente ToFpò esse adupratu in una varietà d'applicazioni. Da a cartografia 3D, l'automatizazione industriale, a rilevazione d'ostaculi, e vitture autonome, l'agricultura, a robotica, a navigazione interna, u ricunniscenza di i gesti, a scansione d'uggetti, e misurazioni, a surveglianza à a realtà aumentata! L'applicazioni di a tecnulugia ToF sò infinite.

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