1. Hvad er en time-of-flight (ToF) sensor?

Hvad er et time-of-flight-kamera? Er det kameraet, der optager flyets flyvning? Har det noget at gøre med fly eller fly? Det er faktisk langt ude i fremtiden!

ToF er et mål for den tid, det tager for et objekt, en partikel eller en bølge at tilbagelægge en afstand. Vidste du, at en flagermus' sonarsystem fungerer? Flyvetidssystemet er lignende!

Der findes mange slags flyvetidssensorer, men de fleste er flyvetidskameraer og laserscannere, der bruger en teknologi kaldet lidar (light detection and ranging) til at måle dybden af ​​forskellige punkter i et billede ved at belyse det med infrarødt lys.

Data genereret og indfanget ved hjælp af ToF-sensorer er meget nyttige, da de kan give fodgængerdetektion, brugergodkendelse baseret på ansigtstræk, kortlægning af omgivelserne ved hjælp af SLAM-algoritmer (samtidig lokalisering og kortlægning) og mere.

Dette system bruges faktisk meget i robotter, selvkørende biler og endda nu også på din mobile enhed. Hvis du for eksempel bruger Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ osv., har din telefon et ToF-kamera!

Et ToF-kamera

2. Hvordan fungerer flyvetidssensoren?

Nu vil vi gerne give en kort introduktion til, hvad en flyvetidssensor er, og hvordan den fungerer.

Ophavsret til forfatningSensorer bruger små lasere til at udsende infrarødt lys, hvor det resulterende lys reflekteres fra et hvilket som helst objekt og vender tilbage til sensoren. Baseret på tidsforskellen mellem lysudsendelsen og tilbagevenden til sensoren efter at være blevet reflekteret af objektet, kan sensoren måle afstanden mellem objektet og sensoren.

I dag vil vi undersøge to måder, hvorpå ToF bruger rejsetid til at bestemme afstand og dybde: ved hjælp af timingpulser og ved hjælp af faseforskydning af amplitudemodulerede bølger.

Brug tidsindstillede pulser

For eksempel fungerer det ved at belyse et mål med en laser, derefter måle det reflekterede lys med en scanner og derefter bruge lysets hastighed til at ekstrapolere objektets afstand for præcist at beregne den tilbagelagte afstand. Derudover bruges forskellen i laserens returtid og bølgelængde til at lave en nøjagtig digital 3D-repræsentation og overfladeegenskaber af målet og visuelt kortlægge dets individuelle egenskaber.

Som du kan se ovenfor, affyres laserlys og reflekteres derefter fra objektet tilbage til sensoren. Med laserens returtid er ToF-kameraer i stand til at måle nøjagtige afstande på kort tid givet lysets hastighed. (ToF konverteres til afstand). Dette er den formel, en analytiker bruger til at nå frem til den nøjagtige afstand til et objekt:

(lysets hastighed x flyvetid) / 2

ToF konverteres til afstand

Som du kan se, starter timeren, mens lyset er slukket, og når modtageren modtager returlyset, returnerer timeren tiden. Når man trækker fra to gange, fås lysets "flyvningstid", og lysets hastighed er konstant, så afstanden kan nemt beregnes ved hjælp af ovenstående formel. På denne måde kan alle punkter på objektets overflade bestemmes.

Brug faseforskydningen af ​​AM-bølgen

Dernæst, denOphavsret til forfatningkan også bruge kontinuerlige bølger til at detektere faseskiftet af det reflekterede lys for at bestemme dybde og afstand.

Faseskift ved hjælp af AM-bølge

Ved at modulere amplituden skabes en sinusformet lyskilde med en kendt frekvens, hvilket gør detektoren i stand til at bestemme faseforskydningen af ​​det reflekterede lys ved hjælp af følgende formel:

Hvor c er lysets hastighed (c = 3 × 10^8 m/s), λ er bølgelængden (λ = 15 m), og f er frekvensen, kan hvert punkt på sensoren nemt beregnes i dybden.

Alle disse ting sker meget hurtigt, da vi arbejder med lysets hastighed. Kan du forestille dig den præcision og hastighed, som sensorer er i stand til at måle med? Lad mig give et eksempel: Lys bevæger sig med en hastighed på 300.000 kilometer i sekundet. Hvis et objekt er 5 meter væk fra dig, er tidsforskellen mellem lysets udgang og tilbagekomst fra kameraet omkring 33 nanosekunder, hvilket kun svarer til 0,000000033 sekunder! Wow! For ikke at nævne, at de optagede data giver dig en nøjagtig 3D digital repræsentation af hver pixel i billedet.

Uanset hvilket princip der anvendes, giver en lyskilde, der oplyser hele scenen, sensoren mulighed for at bestemme dybden af ​​alle punkter. Et sådant resultat giver dig et afstandskort, hvor hver pixel koder afstanden til det tilsvarende punkt i scenen. Følgende er et eksempel på en ToF-afstandsgraf:

Et eksempel på en ToF-intervalgraf

Nu hvor vi ved, at ToF virker, hvorfor er det så godt? Hvorfor bruge det? Hvad er de gode til? Bare rolig, der er mange fordele ved at bruge en ToF-sensor, men der er selvfølgelig også nogle begrænsninger.

3. Fordelene ved at bruge flyvetidssensorer

Præcis og hurtig måling

Sammenlignet med andre afstandssensorer såsom ultralyd eller lasere, kan time-of-flight-sensorer meget hurtigt komponere et 3D-billede af en scene. For eksempel kan et ToF-kamera kun gøre dette én gang. Derudover er ToF-sensoren i stand til at registrere objekter præcist på kort tid og påvirkes ikke af fugtighed, lufttryk og temperatur, hvilket gør den velegnet til både indendørs og udendørs brug.

langdistance

Da ToF-sensorer bruger lasere, er de også i stand til at måle lange afstande og rækkevidder med høj nøjagtighed. ToF-sensorer er fleksible, fordi de er i stand til at detektere nære og fjerne objekter i alle former og størrelser.

Det er også fleksibelt i den forstand, at du kan tilpasse systemets optik for optimal ydeevne, hvor du kan vælge sender- og modtagertyper samt linser for at få det ønskede synsfelt.

Sikkerhed

Bekymret for, at laseren fraOphavsret til forfatningVil sensoren skade dine øjne? Bare rolig! Mange ToF-sensorer bruger nu en infrarød laser med lavt strømforbrug som lyskilde og driver den med modulerede pulser. Sensoren opfylder lasersikkerhedsstandarderne i klasse 1 for at sikre, at den er sikker for det menneskelige øje.

omkostningseffektiv

Sammenlignet med andre 3D-dybdeskanningsteknologier, såsom strukturerede lyskamerasystemer eller laserafstandsmålere, er ToF-sensorer meget billigere.

Trods alle disse begrænsninger er ToF stadig meget pålidelig og en meget hurtig metode til at indfange 3D-information.

4. Begrænsninger i brugsanvisningen

Selvom ToF har mange fordele, har det også begrænsninger. Nogle af begrænsningerne ved ToF inkluderer:

• Spredt lys

Hvis meget lyse overflader er meget tæt på din ToF-sensor, kan de sprede for meget lys ind i din modtager og skabe artefakter og uønskede refleksioner, da din ToF-sensor kun behøver at reflektere lyset, når målingen er klar.

• Flere refleksioner

Når man bruger ToF-sensorer på hjørner og konkave former, kan de forårsage uønskede refleksioner, da lyset kan reflekteres flere gange og forvrænge målingen.

• Omgivende lys

Det kan være vanskeligt at bruge ToF-kameraet udendørs i stærkt sollys. Dette skyldes den høje intensitet af sollys, der får sensorens pixels til hurtigt at mætte, hvilket gør det umuligt at registrere det faktiske lys, der reflekteres fra objektet.

• Konklusionen

ToF-sensorer ogToF-objektivkan bruges i en række forskellige applikationer. Fra 3D-kortlægning, industriel automatisering, forhindringsdetektion, selvkørende biler, landbrug, robotteknologi, indendørs navigation, bevægelsesgenkendelse, objektscanning, målinger, overvågning til augmented reality! Anvendelsesmulighederne for ToF-teknologi er uendelige.

Du kan kontakte os for eventuelle behov vedrørende ToF-objektiver.

Chuang An Optoelectronics fokuserer på HD-optiske linser for at skabe et perfekt visuelt brand.

Chuang An Optoelectronics har nu produceret en række forskelligeTOF-linsersåsom:

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 f5,0 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5,0 mm F1,1 1/3″ IR940nm