1. Was ist ein Time-of-Flight (ToF)-Sensor?

Was ist eine Time-of-Flight-Kamera? Ist es die Kamera, die den Flug des Flugzeugs aufzeichnet? Hat es etwas mit Flugzeugen oder Flugzeugen zu tun? Nun ja, es ist tatsächlich noch weit weg!

ToF ist ein Maß für die Zeit, die ein Objekt, Teilchen oder eine Welle benötigt, um eine Distanz zurückzulegen. Wussten Sie, dass das Sonarsystem einer Fledermaus funktioniert? Das Time-of-Flight-System ist ähnlich!

Es gibt viele Arten von Time-of-Flight-Sensoren, aber die meisten sind Time-of-Flight-Kameras und Laserscanner, die eine Technologie namens Lidar (Light Detection and Ranging) verwenden, um die Tiefe verschiedener Punkte in einem Bild durch Leuchten zu messen mit Infrarotlicht.

Mithilfe von ToF-Sensoren generierte und erfasste Daten sind sehr nützlich, da sie Fußgängererkennung, Benutzerauthentifizierung anhand von Gesichtsmerkmalen, Umgebungskartierung mithilfe von SLAM-Algorithmen (Simultaneous Localization and Mapping) und mehr ermöglichen können.

Dieses System wird tatsächlich häufig in Robotern, selbstfahrenden Autos und sogar jetzt auf Ihrem Mobilgerät eingesetzt. Wenn Sie beispielsweise Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ usw. verwenden, verfügt Ihr Telefon über eine ToF-Kamera!

Eine ToF-Kamera

2. Wie funktioniert der Flugzeitsensor?

Nun möchten wir kurz vorstellen, was ein Flugzeitsensor ist und wie er funktioniert.

ToFSensoren verwenden winzige Laser, um Infrarotlicht auszusenden, wobei das resultierende Licht von jedem Objekt reflektiert wird und zum Sensor zurückkehrt. Basierend auf der Zeitdifferenz zwischen der Emission des Lichts und der Rückkehr zum Sensor nach der Reflexion durch das Objekt kann der Sensor den Abstand zwischen dem Objekt und dem Sensor messen.

Heute werden wir zwei Möglichkeiten untersuchen, wie ToF die Reisezeit nutzt, um Entfernung und Tiefe zu bestimmen: mithilfe von Zeitimpulsen und mithilfe der Phasenverschiebung amplitudenmodulierter Wellen.

Verwenden Sie zeitgesteuerte Impulse

Dabei wird beispielsweise ein Ziel mit einem Laser beleuchtet, dann das reflektierte Licht mit einem Scanner gemessen und anschließend mithilfe der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung des Objekts extrapoliert, um die zurückgelegte Entfernung präzise zu berechnen. Darüber hinaus wird der Unterschied in der Laserrücklaufzeit und -wellenlänge genutzt, um eine genaue digitale 3D-Darstellung und Oberflächenmerkmale des Ziels zu erstellen und seine einzelnen Merkmale visuell abzubilden.

Wie Sie oben sehen können, wird Laserlicht abgefeuert und dann vom Objekt zurück zum Sensor reflektiert. Dank der Laserrücklaufzeit können ToF-Kameras angesichts der Lichtgeschwindigkeit in kurzer Zeit genaue Entfernungen messen. (ToF wird in Entfernung umgerechnet) Dies ist die Formel, die ein Analyst verwendet, um die genaue Entfernung eines Objekts zu ermitteln:

(Lichtgeschwindigkeit x Flugzeit) / 2

ToF wird in Entfernung umgewandelt

Wie Sie sehen können, startet der Timer, während das Licht ausgeschaltet ist, und wenn der Empfänger das Rücklicht empfängt, gibt der Timer die Zeit zurück. Durch zweimaliges Subtrahieren erhält man die „Flugzeit“ des Lichts und die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, sodass die Entfernung mithilfe der obigen Formel leicht berechnet werden kann. Auf diese Weise können alle Punkte auf der Oberfläche des Objekts bestimmt werden.

Nutzen Sie die Phasenverschiebung der AM-Welle

Als nächstes dieToFkann auch kontinuierliche Wellen verwenden, um die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts zu erfassen und so Tiefe und Entfernung zu bestimmen.

Phasenverschiebung mittels AM-Welle

Durch Modulation der Amplitude entsteht eine sinusförmige Lichtquelle mit bekannter Frequenz, sodass der Detektor die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts anhand der folgenden Formel bestimmen kann:

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit (c = 3 × 10^8 m/s), λ eine Wellenlänge (λ = 15 m) und f die Frequenz. Jeder Punkt auf dem Sensor kann leicht in der Tiefe berechnet werden.

All diese Dinge geschehen sehr schnell, da wir mit Lichtgeschwindigkeit arbeiten. Können Sie sich vorstellen, mit welcher Präzision und Geschwindigkeit Sensoren messen können? Lassen Sie mich ein Beispiel geben: Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde. Wenn ein Objekt 5 m von Ihnen entfernt ist, beträgt der Zeitunterschied zwischen dem Verlassen der Kamera und dem Zurückkehren des Lichts etwa 33 Nanosekunden, was nur 0,000000033 Sekunden entspricht! Wow! Ganz zu schweigen davon, dass Sie mit den erfassten Daten für jedes Pixel im Bild eine genaue digitale 3D-Darstellung erhalten.

Unabhängig vom verwendeten Prinzip ermöglicht die Bereitstellung einer Lichtquelle, die die gesamte Szene beleuchtet, dem Sensor die Bestimmung der Tiefe aller Punkte. Mit einem solchen Ergebnis erhalten Sie eine Entfernungskarte, bei der jedes Pixel die Entfernung zum entsprechenden Punkt in der Szene kodiert. Das Folgende ist ein Beispiel für ein ToF-Bereichsdiagramm:

Ein Beispiel für ein ToF-Bereichsdiagramm

Nachdem wir nun wissen, dass ToF funktioniert, warum ist es gut? Warum es verwenden? Wofür sind sie gut? Keine Sorge, die Verwendung eines ToF-Sensors bietet viele Vorteile, aber natürlich gibt es auch einige Einschränkungen.

3. Die Vorteile der Verwendung von Flugzeitsensoren

Genaue und schnelle Messung

Im Vergleich zu anderen Abstandssensoren wie Ultraschall oder Lasern sind Flugzeitsensoren in der Lage, sehr schnell ein 3D-Bild einer Szene zu erstellen. Beispielsweise kann eine ToF-Kamera dies nur einmal tun. Darüber hinaus ist der ToF-Sensor in der Lage, Objekte in kurzer Zeit präzise zu erkennen und wird nicht von Feuchtigkeit, Luftdruck und Temperatur beeinflusst, sodass er sowohl für den Innen- als auch für den Außenbereich geeignet ist.

lange Distanz

Da ToF-Sensoren Laser verwenden, sind sie auch in der Lage, große Entfernungen und Reichweiten mit hoher Genauigkeit zu messen. ToF-Sensoren sind flexibel, da sie nahe und ferne Objekte aller Formen und Größen erkennen können.

Es ist auch in dem Sinne flexibel, dass Sie die Optik des Systems für eine optimale Leistung anpassen können, indem Sie die Sender- und Empfängertypen sowie die Objektive auswählen, um das gewünschte Sichtfeld zu erhalten.

Sicherheit

Besorgt, dass der Laser aus demToFSensor wird Ihre Augen verletzen? Mach dir keine Sorgen! Viele ToF-Sensoren verwenden mittlerweile einen Infrarotlaser mit geringer Leistung als Lichtquelle und treiben ihn mit modulierten Impulsen an. Der Sensor erfüllt die Lasersicherheitsstandards der Klasse 1, um sicherzustellen, dass er für das menschliche Auge sicher ist.

kosteneffektiv

Im Vergleich zu anderen 3D-Tiefenscantechnologien wie Streifenlichtkamerasystemen oder Laser-Entfernungsmessern sind ToF-Sensoren deutlich günstiger.

Trotz all dieser Einschränkungen ist ToF immer noch sehr zuverlässig und eine sehr schnelle Methode zur Erfassung von 3D-Informationen.

4. Einschränkungen von ToF

Obwohl ToF viele Vorteile hat, weist es auch Einschränkungen auf. Zu den Einschränkungen von ToF gehören:

• Streulicht

Wenn sich sehr helle Oberflächen sehr nahe an Ihrem ToF-Sensor befinden, streuen diese möglicherweise zu viel Licht in Ihren Empfänger und erzeugen Artefakte und unerwünschte Reflexionen, da Ihr ToF-Sensor das Licht erst reflektieren muss, wenn die Messung abgeschlossen ist.

• Mehrere Reflexionen

Beim Einsatz von ToF-Sensoren an Ecken und konkaven Formen kann es zu unerwünschten Reflexionen kommen, da das Licht mehrfach reflektiert werden kann und die Messung verfälscht.

• Umgebungslicht

Die Verwendung der ToF-Kamera im Freien bei hellem Sonnenlicht kann den Einsatz im Freien erschweren. Dies ist auf die hohe Intensität des Sonnenlichts zurückzuführen, die zu einer schnellen Sättigung der Sensorpixel führt und es unmöglich macht, das tatsächlich vom Objekt reflektierte Licht zu erkennen.

• Der Abschluss

ToF-Sensoren undToF-Objektivkann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Von 3D-Kartierung, industrieller Automatisierung, Hinderniserkennung, selbstfahrenden Autos, Landwirtschaft, Robotik, Indoor-Navigation, Gestenerkennung, Objektscannen, Messungen, Überwachung bis hin zu Augmented Reality! Die Einsatzmöglichkeiten der ToF-Technologie sind endlos.

Sie können uns kontaktieren, wenn Sie ToF-Objektive benötigen.

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Chuang An Optoelectronics hat mittlerweile eine Vielzahl davon hergestelltTOF-Objektivewie zum Beispiel:

CH3651A f3,6 mm F1,2 1/2″ IR850 nm

CH3651B f3,6 mm F1,2 1/2″ IR940 nm

CH3652A f3,3 mm F1,1 1/3″ IR850 nm

CH3652B f3,3 mm F1,1 1/3″ IR940 nm

CH3653A f3,9 mm F1,1 1/3″ IR850 nm

CH3653B f3,9 mm F1,1 1/3″ IR940 nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5,0 mm F1,1 1/3″ IR940 nm