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

Hvad er et time-of-flight kamera? Er det kameraet, der fanger flyets flyvning? Har det noget med fly eller fly at gøre? Nå, det er faktisk langt væk!

ToF er et mål for den tid, det tager for en genstand, partikel eller bølge at rejse en afstand. Vidste du, at en flagermuss sonarsystem virker? Time-of-flight-systemet er det samme!

Der findes mange slags time-of-flight-sensorer, men de fleste er time-of-flight-kameraer og laserscannere, som bruger en teknologi kaldet lidar (lysdetektion og rækkevidde) til at måle dybden af ​​forskellige punkter i et billede ved at skinne det. med infrarødt lys.

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

Dette system er faktisk meget brugt i robotter, selvkørende biler og endda nu din mobile enhed. For eksempel, hvis du 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 af, hvad en flyvetidssensor er, og hvordan den fungerer.

ToFsensorer bruger små lasere til at udsende infrarødt lys, hvor det resulterende lys hopper af enhver genstand og vender tilbage til sensoren. Baseret på tidsforskellen mellem emissionen af ​​lys og tilbagevenden til sensoren efter at være blevet reflekteret af objektet, kan sensoren måle afstanden mellem objektet og sensoren.

I dag vil vi udforske 2 måder, hvordan ToF bruger rejsetid til at bestemme afstand og dybde: ved hjælp af timingimpulser og brug 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 laserreturtid og bølgelængde så til at lave en nøjagtig digital 3D-repræsentation og overfladetræk af målet og visuelt kortlægge dets individuelle funktioner.

Som du kan se ovenfor, skydes laserlys ud og hopper derefter af objektet tilbage til sensoren. Med laserreturtiden er ToF-kameraer i stand til at måle nøjagtige afstande på kort tid givet lysets hastighed. (ToF konverterer til afstand) Dette er formlen en analytiker bruger til at nå frem til den nøjagtige afstand af et objekt:

(lyshastighed x flyvetid) / 2

ToF konverteres til afstand

Som du kan se, starter timeren, mens lyset er slukket, og når modtageren modtager returlyset, vil timeren returnere tiden. Når man trækker fra to gange, opnås lysets "flyvetid", og lysets hastighed er konstant, så afstanden let kan beregnes ved hjælp af formlen ovenfor. På denne måde kan alle punkter på objektets overflade bestemmes.

Brug AM-bølgens faseforskydning

DernæstToFkan også bruge kontinuerlige bølger til at detektere faseforskydningen af ​​det reflekterede lys for at bestemme dybde og afstand.

Faseskift ved hjælp af AM-bølge

Ved at modulere amplituden skaber den en sinusformet lyskilde med en kendt frekvens, hvilket gør det muligt for detektoren 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 en bølgelængde (λ = 15 m), og f er frekvensen, kan hvert punkt på sensoren let beregnes i dybden.

Alle disse ting sker meget hurtigt, når vi arbejder med lysets hastighed. Kan du forestille dig præcisionen og hastigheden, som sensorer er i stand til at måle med? Lad mig give et eksempel, lys rejser med en hastighed på 300.000 kilometer i sekundet, hvis et objekt er 5m væk fra dig, er tidsforskellen mellem lyset, der forlader kameraet og vender tilbage, omkring 33 nanosekunder, hvilket kun svarer til 0,000000033 sekunder! Wow! For ikke at nævne, vil de opsamlede data give dig en nøjagtig 3D digital repræsentation for hver pixel i billedet.

Uanset hvilket princip der anvendes, giver en lyskilde, der oplyser hele scenen, sensoren til 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-områdegraf:

Et eksempel på en ToF-områdegraf

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 nogle begrænsninger.

3. Fordelene ved at bruge time-of-flight sensorer

Nøjagtig og hurtig måling

Sammenlignet med andre afstandssensorer såsom ultralyd eller lasere, er flyvetidssensorer i stand til at komponere et 3D-billede af en scene meget hurtigt. For eksempel kan et ToF-kamera kun gøre dette én gang. Ikke nok med det, ToF-sensoren er i stand til at detektere genstande præcist på kort tid og påvirkes ikke af fugt, lufttryk og temperatur, hvilket gør den velegnet til både indendørs og udendørs brug.

lang afstand

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 registrere nære og fjerne genstande af alle former og størrelser.

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

Sikkerhed

Bekymret over, at laseren fraToFvil sensoren skade dine øjne? bare rolig! Mange ToF-sensorer bruger nu en laveffekt infrarød laser som lyskilde og driver den med modulerede impulser. Sensoren opfylder klasse 1 lasersikkerhedsstandarder for at sikre, at den er sikker for det menneskelige øje.

omkostningseffektive

Sammenlignet med andre 3D-dybdescanningsteknologier såsom strukturerede lyskamerasystemer eller laserafstandsmålere er ToF-sensorer meget billigere sammenlignet med dem.

På trods af alle disse begrænsninger er ToF stadig meget pålidelig og en meget hurtig metode til at fange 3D-information.

4. Begrænsninger af ToF

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 du bruger ToF-sensorer på hjørner og konkave former, kan de forårsage uønskede refleksioner, da lyset kan hoppe af flere gange, hvilket forvrænger målingen.

• Omgivende lys

Brug af ToF-kameraet udendørs i stærkt sollys kan gøre udendørs brug vanskelig. Dette skyldes den høje intensitet af sollys, der får sensorpixlerne til hurtigt at mættes, hvilket gør det umuligt at registrere det faktiske lys, der reflekteres fra objektet.

• Konklusionen

ToF sensorer ogToF linsekan bruges i en række forskellige applikationer. Fra 3D-kortlægning, industriel automatisering, forhindringsdetektion, selvkørende biler, landbrug, robotter, indendørs navigation, gestusgenkendelse, objektscanning, målinger, overvågning til augmented reality! Anvendelserne af ToF-teknologi er uendelige.

Du kan kontakte os for ethvert behov for ToF linser.

Chuang An Optoelectronics fokuserer på high-definition 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 f5.0mm F1.1 1/3" IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3" IR940nm