1. Co je senzor doby letu (ToF)?

Co je to kamera zaznamenávající dobu letu letadla? Je to kamera, která zachycuje let letadla? Má to něco společného s letadly nebo s letadly? No, je to vlastně hodně daleko!

ToF je míra času, který objekt, částice nebo vlna potřebuje k urazení určité vzdálenosti. Věděli jste, že funguje sonar netopýra? Systém měření doby letu je podobný!

Existuje mnoho druhů senzorů měření doby letu, ale většina z nich jsou kamery s měřením doby letu a laserové skenery, které využívají technologii zvanou lidar (detekce a měření vzdálenosti světla) k měření hloubky různých bodů v obraze osvícením infračerveným světlem.

Data generovaná a zachycená pomocí ToF senzorů jsou velmi užitečná, protože mohou poskytovat detekci chodců, ověřování uživatelů na základě rysů obličeje, mapování prostředí pomocí algoritmů SLAM (simultánní lokalizace a mapování) a další.

Tento systém se ve skutečnosti široce používá v robotech, samořídících autech a dokonce i v mobilních zařízeních. Například pokud používáte Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ atd., váš telefon má ToF kameru!

ToF kamera

2. Jak funguje senzor doby letu?

Nyní bychom rádi stručně představili, co je senzor doby letu a jak funguje.

ToF (Total of Function)Senzory používají drobné lasery k vyzařování infračerveného světla, kde se výsledné světlo odráží od jakéhokoli objektu a vrací se zpět k senzoru. Na základě časového rozdílu mezi vyzařováním světla a jeho návratem k senzoru po odrazu od objektu dokáže senzor měřit vzdálenost mezi objektem a senzorem.

Dnes prozkoumáme dva způsoby, jak ToF využívá dobu průchodu k určení vzdálenosti a hloubky: pomocí časovacích impulsů a pomocí fázového posunu amplitudově modulovaných vln.

Používejte časované pulzy

Například funguje tak, že cíl je osvětlen laserem, poté je odražené světlo změřeno skenerem a následně je pomocí rychlosti světla extrapolována vzdálenost objektu, aby se přesně vypočítala uražená vzdálenost. Rozdíl v době návratu laseru a vlnové délce se navíc použije k vytvoření přesné digitální 3D reprezentace a povrchových prvků cíle a k vizuálnímu zmapování jeho jednotlivých prvků.

Jak vidíte výše, laserový paprsek je vyzařován a poté se odráží od objektu zpět k senzoru. Díky době návratu laseru jsou kamery ToF schopny měřit přesné vzdálenosti v krátkém časovém úseku při dané rychlosti šíření světla. (ToF se převádí na vzdálenost) Toto je vzorec, který analytik používá k určení přesné vzdálenosti objektu:

(rychlost světla x doba letu) / 2

ToF převádí na vzdálenost

Jak vidíte, časovač se spustí, když je světlo zhasnuté, a když přijímač přijme odražené světlo, časovač vrátí čas. Dvojitým odečtením se získá „doba letu“ světla a rychlost světla je konstantní, takže vzdálenost lze snadno vypočítat pomocí výše uvedeného vzorce. Tímto způsobem lze určit všechny body na povrchu objektu.

Použijte fázový posun AM vlny

Dále,ToF (Total of Function)lze také použít spojité vlny k detekci fázového posunu odraženého světla k určení hloubky a vzdálenosti.

Fázový posun pomocí AM vlny

Modulací amplitudy vytváří sinusový světelný zdroj se známou frekvencí, což umožňuje detektoru určit fázový posun odraženého světla pomocí následujícího vzorce:

kde c je rychlost světla (c = 3 × 10^8 m/s), λ je vlnová délka (λ = 15 m) a f je frekvence, lze každý bod na senzoru snadno vypočítat do hloubky.

Všechny tyto věci se dějí velmi rychle, protože pracujeme rychlostí světla. Dokážete si představit přesnost a rychlost, s jakou jsou senzory schopny měřit? Dovolte mi uvést příklad, světlo se šíří rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu. Pokud je objekt od vás vzdálen 5 m, časový rozdíl mezi opuštěním kamery a návratem světla je asi 33 nanosekund, což odpovídá pouze 0,000000033 sekundám! Páni! Nemluvě o tom, že zachycená data vám poskytnou přesnou 3D digitální reprezentaci každého pixelu v obraze.

Bez ohledu na použitý princip, poskytnutí zdroje světla, který osvětluje celou scénu, umožňuje senzoru určit hloubku všech bodů. Takový výsledek vám dává mapu vzdáleností, kde každý pixel kóduje vzdálenost k odpovídajícímu bodu ve scéně. Následuje příklad grafu rozsahu ToF:

Příklad grafu rozsahu ToF

Nyní, když víme, že ToF funguje, proč je dobrý? Proč ho používat? K čemu je dobrý? Nebojte se, používání ToF senzoru má mnoho výhod, ale samozřejmě existují i ​​určitá omezení.

3. Výhody použití senzorů doby letu

Přesné a rychlé měření

Ve srovnání s jinými senzory vzdálenosti, jako jsou ultrazvuk nebo lasery, dokáží senzory doby letu (TF) vytvořit 3D obraz scény velmi rychle. Například ToF kamera to dokáže pouze jednou. Navíc je ToF senzor schopen přesně detekovat objekty v krátkém čase a není ovlivněn vlhkostí, tlakem vzduchu ani teplotou, takže je vhodný pro použití v interiéru i exteriéru.

dlouhé vzdálenosti

Protože ToF senzory používají lasery, jsou schopny měřit také velké vzdálenosti a dosahy s vysokou přesností. ToF senzory jsou flexibilní, protože dokáží detekovat blízké i vzdálené objekty všech tvarů a velikostí.

Je také flexibilní v tom smyslu, že si můžete přizpůsobit optiku systému pro optimální výkon, kde si můžete vybrat typy vysílače a přijímače a objektivy pro dosažení požadovaného zorného pole.

Bezpečnost

Obávám se, že laser zToF (Total of Function)Bude vám senzor bolet oči? Nebojte se! Mnoho ToF senzorů nyní používá jako zdroj světla nízkovýkonný infračervený laser a je napájen modulovanými pulzy. Senzor splňuje bezpečnostní normy laserů třídy 1, aby byla zajištěna jeho bezpečnost pro lidské oko.

nákladově efektivní

Ve srovnání s jinými technologiemi 3D skenování hloubkového rozsahu, jako jsou kamerové systémy se strukturovaným světlem nebo laserové dálkoměry, jsou ToF senzory mnohem levnější.

Navzdory všem těmto omezením je ToF stále velmi spolehlivá a rychlá metoda pro snímání 3D informací.

4. Omezení ToF

Přestože má ToF mnoho výhod, má také omezení. Mezi ně patří například:

• Rozptýlené světlo

Pokud se velmi blízko vašeho ToF senzoru nacházejí velmi jasné povrchy, mohou rozptylovat příliš mnoho světla do přijímače a vytvářet artefakty a nežádoucí odrazy, protože váš ToF senzor musí světlo odrážet pouze po dokončení měření.

• Vícenásobné odrazy

Při použití ToF senzorů v rozích a konkávních tvarech mohou způsobovat nežádoucí odrazy, protože světlo se může několikrát odrazit a zkreslit tak měření.

• Okolní světlo

Používání ToF kamery venku za jasného slunečního světla může být obtížné. Je to způsobeno vysokou intenzitou slunečního záření, která způsobuje rychlé saturaci pixelů snímače, což znemožňuje detekci skutečného světla odraženého od objektu.

• Závěr

ToF senzory aToF objektivlze použít v celé řadě aplikací. Od 3D mapování, průmyslové automatizace, detekce překážek, autonomních vozidel, zemědělství, robotiky, vnitřní navigace, rozpoznávání gest, skenování objektů, měření, dohledu až po rozšířenou realitu! Aplikace technologie ToF jsou nekonečné.

V případě jakýchkoli potřeb ohledně ToF objektivů nás můžete kontaktovat.

Společnost Chuang An Optoelectronics se zaměřuje na optické čočky s vysokým rozlišením, aby vytvořila dokonalou vizuální značku.

Společnost Chuang An Optoelectronics nyní vyrábí řaduTOF objektivyjako například:

CH3651A f3,6mm F1,2 1/2″ IR850nm

CH3651B f3,6mm F1,2 1/2″ IR940nm

CH3652A f3,3 mm 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