1. Τι είναι ο αισθητήρας χρόνου πτήσης (ToF);

Τι είναι η κάμερα ώρας πτήσης; Είναι η κάμερα που καταγράφει την πτήση του αεροπλάνου; Έχει να κάνει με αεροπλάνα ή αεροπλάνα; Λοιπόν, είναι πραγματικά πολύ μακριά!

Το ToF είναι ένα μέτρο του χρόνου που χρειάζεται για ένα αντικείμενο, σωματίδιο ή κύμα να διανύσει μια απόσταση. Γνωρίζατε ότι το σύστημα σόναρ μιας νυχτερίδας λειτουργεί; Το σύστημα χρόνου πτήσης είναι παρόμοιο!

Υπάρχουν πολλά είδη αισθητήρων χρόνου πτήσης, αλλά οι περισσότεροι είναι κάμερες ώρας πτήσης και σαρωτές λέιζερ, οι οποίοι χρησιμοποιούν μια τεχνολογία που ονομάζεται lidar (ανίχνευση φωτός και εμβέλεια) για τη μέτρηση του βάθους διαφόρων σημείων σε μια εικόνα λάμποντάς την με υπέρυθρο φως.

Τα δεδομένα που δημιουργούνται και καταγράφονται με χρήση αισθητήρων ToF είναι πολύ χρήσιμα, καθώς μπορούν να παρέχουν ανίχνευση πεζών, έλεγχο ταυτότητας χρήστη με βάση τα χαρακτηριστικά του προσώπου, χαρτογράφηση περιβάλλοντος χρησιμοποιώντας αλγόριθμους SLAM (ταυτόχρονη τοπική προσαρμογή και χαρτογράφηση) και πολλά άλλα.

Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται πραγματικά ευρέως σε ρομπότ, αυτοοδηγούμενα αυτοκίνητα, ακόμα και τώρα στην κινητή συσκευή σας. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείτε Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ κ.λπ., το τηλέφωνό σας διαθέτει κάμερα ToF!

Μια κάμερα ToF

2. Πώς λειτουργεί ο αισθητήρας χρόνου πτήσης;

Τώρα, θα θέλαμε να δώσουμε μια σύντομη εισαγωγή του τι είναι ο αισθητήρας χρόνου πτήσης και πώς λειτουργεί.

ToFΟι αισθητήρες χρησιμοποιούν μικροσκοπικά λέιζερ για να εκπέμπουν υπέρυθρο φως, όπου το φως που προκύπτει αναπηδά από οποιοδήποτε αντικείμενο και επιστρέφει στον αισθητήρα. Με βάση τη χρονική διαφορά μεταξύ της εκπομπής φωτός και της επιστροφής στον αισθητήρα αφού ανακλαστεί από το αντικείμενο, ο αισθητήρας μπορεί να μετρήσει την απόσταση μεταξύ του αντικειμένου και του αισθητήρα.

Σήμερα, θα διερευνήσουμε 2 τρόπους με τους οποίους το ToF χρησιμοποιεί το χρόνο ταξιδιού για να προσδιορίσει την απόσταση και το βάθος: χρησιμοποιώντας παλμούς χρονισμού και χρήση μετατόπισης φάσης κυμάτων διαμορφωμένου πλάτους.

Χρησιμοποιήστε χρονισμένους παλμούς

Για παράδειγμα, λειτουργεί φωτίζοντας έναν στόχο με ένα λέιζερ, στη συνέχεια μετρώντας το ανακλώμενο φως με έναν σαρωτή και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας την ταχύτητα του φωτός για να προβάλλετε την απόσταση του αντικειμένου για να υπολογίσετε με ακρίβεια την απόσταση που διανύθηκε. Επιπλέον, η διαφορά στο χρόνο επιστροφής λέιζερ και στο μήκος κύματος χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να γίνει μια ακριβής ψηφιακή τρισδιάστατη αναπαράσταση και τα χαρακτηριστικά επιφάνειας του στόχου και να χαρτογραφηθούν οπτικά τα μεμονωμένα χαρακτηριστικά του.

Όπως μπορείτε να δείτε παραπάνω, το φως λέιζερ εκτοξεύεται και στη συνέχεια αναπηδά από το αντικείμενο πίσω στον αισθητήρα. Με το χρόνο επιστροφής λέιζερ, οι κάμερες ToF είναι σε θέση να μετρούν ακριβείς αποστάσεις σε σύντομο χρονικό διάστημα, δεδομένης της ταχύτητας του φωτός. (Το ToF μετατρέπεται σε απόσταση) Αυτός είναι ο τύπος που χρησιμοποιεί ένας αναλυτής για να φτάσει στην ακριβή απόσταση ενός αντικειμένου:

(ταχύτητα φωτός x χρόνο πτήσης) / 2

Το ToF μετατρέπεται σε απόσταση

Όπως μπορείτε να δείτε, ο χρονοδιακόπτης θα ξεκινήσει ενώ το φως είναι σβηστό και όταν ο δέκτης λάβει το φως επιστροφής, το χρονόμετρο θα επιστρέψει την ώρα. Όταν αφαιρούμε δύο φορές, προκύπτει ο «χρόνος πτήσης» του φωτός και η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή, επομένως η απόσταση μπορεί εύκολα να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να προσδιοριστούν όλα τα σημεία στην επιφάνεια του αντικειμένου.

Χρησιμοποιήστε τη μετατόπιση φάσης του κύματος AM

Στη συνέχεια, τοToFμπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει συνεχή κύματα για να ανιχνεύσει τη μετατόπιση φάσης του ανακλώμενου φωτός για να καθορίσει το βάθος και την απόσταση.

Μετατόπιση φάσης με χρήση κύματος AM

Διαμορφώνοντας το πλάτος, δημιουργείται μια ημιτονοειδής πηγή φωτός με γνωστή συχνότητα, επιτρέποντας στον ανιχνευτή να προσδιορίσει τη μετατόπιση φάσης του ανακλώμενου φωτός χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός (c = 3 × 10^8 m/s), λ είναι ένα μήκος κύματος (λ = 15 m) και f είναι η συχνότητα, κάθε σημείο του αισθητήρα μπορεί εύκολα να υπολογιστεί σε βάθος.

Όλα αυτά συμβαίνουν πολύ γρήγορα καθώς εργαζόμαστε με την ταχύτητα του φωτός. Μπορείτε να φανταστείτε την ακρίβεια και την ταχύτητα με την οποία οι αισθητήρες μπορούν να μετρήσουν; Επιτρέψτε μου να δώσω ένα παράδειγμα, το φως ταξιδεύει με ταχύτητα 300.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, αν ένα αντικείμενο απέχει 5 μέτρα από εσάς, η χρονική διαφορά μεταξύ του φωτός που φεύγει από την κάμερα και επιστρέφει είναι περίπου 33 νανοδευτερόλεπτα, που ισοδυναμεί μόνο με 0,000000033 δευτερόλεπτα! Εκπληκτική επιτυχία! Για να μην αναφέρουμε, τα δεδομένα που καταγράφονται θα σας δώσουν μια ακριβή τρισδιάστατη ψηφιακή αναπαράσταση για κάθε pixel στην εικόνα.

Ανεξάρτητα από την αρχή που χρησιμοποιείται, η παροχή μιας φωτεινής πηγής που φωτίζει ολόκληρη τη σκηνή επιτρέπει στον αισθητήρα να προσδιορίζει το βάθος όλων των σημείων. Ένα τέτοιο αποτέλεσμα σας δίνει έναν χάρτη απόστασης όπου κάθε pixel κωδικοποιεί την απόσταση από το αντίστοιχο σημείο της σκηνής. Το παρακάτω είναι ένα παράδειγμα γραφήματος εύρους ToF:

Ένα παράδειγμα γραφήματος εύρους ToF

Τώρα που γνωρίζουμε ότι το ToF λειτουργεί, γιατί είναι καλό; Γιατί να το χρησιμοποιήσω; Σε τι χρησιμεύουν; Μην ανησυχείτε, υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα στη χρήση ενός αισθητήρα ToF, αλλά φυσικά υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί.

3. Τα οφέλη από τη χρήση αισθητήρων χρόνου πτήσης

Ακριβής και γρήγορη μέτρηση

Σε σύγκριση με άλλους αισθητήρες απόστασης, όπως υπερήχους ή λέιζερ, οι αισθητήρες χρόνου πτήσης είναι σε θέση να συνθέσουν μια τρισδιάστατη εικόνα μιας σκηνής πολύ γρήγορα. Για παράδειγμα, μια κάμερα ToF μπορεί να το κάνει αυτό μόνο μία φορά. Όχι μόνο αυτό, ο αισθητήρας ToF είναι σε θέση να ανιχνεύει αντικείμενα με ακρίβεια σε σύντομο χρονικό διάστημα και δεν επηρεάζεται από την υγρασία, την πίεση του αέρα και τη θερμοκρασία, καθιστώντας τον κατάλληλο τόσο για εσωτερική όσο και για εξωτερική χρήση.

μεγάλη απόσταση

Δεδομένου ότι οι αισθητήρες ToF χρησιμοποιούν λέιζερ, είναι επίσης ικανοί να μετρούν μεγάλες αποστάσεις και εμβέλεια με υψηλή ακρίβεια. Οι αισθητήρες ToF είναι ευέλικτοι επειδή είναι σε θέση να ανιχνεύουν κοντινά και μακρινά αντικείμενα όλων των σχημάτων και μεγεθών.

Είναι επίσης ευέλικτο με την έννοια ότι μπορείτε να προσαρμόσετε τα οπτικά στοιχεία του συστήματος για βέλτιστη απόδοση, όπου μπορείτε να επιλέξετε τους τύπους πομπού και δέκτη και τους φακούς για να αποκτήσετε το επιθυμητό οπτικό πεδίο.

Ασφάλεια

Ανησυχεί ότι το λέιζερ από τοToFο αισθητήρας θα βλάψει τα μάτια σας; μην ανησυχείς! Πολλοί αισθητήρες ToF χρησιμοποιούν τώρα ένα υπέρυθρο λέιζερ χαμηλής ισχύος ως πηγή φωτός και το οδηγούν με διαμορφωμένους παλμούς. Ο αισθητήρας πληροί τα πρότυπα ασφαλείας λέιζερ Κλάσης 1 για να διασφαλίσει ότι είναι ασφαλής για το ανθρώπινο μάτι.

οικονομικά αποδοτικό

Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες σάρωσης εύρους 3D βάθους, όπως συστήματα κάμερας δομημένου φωτός ή αποστασιοποιητές λέιζερ, οι αισθητήρες ToF είναι πολύ φθηνότεροι σε σύγκριση με αυτούς.

Παρά όλους αυτούς τους περιορισμούς, το ToF εξακολουθεί να είναι πολύ αξιόπιστο και μια πολύ γρήγορη μέθοδος λήψης τρισδιάστατων πληροφοριών.

4. Περιορισμοί ToF

Αν και το ToF έχει πολλά οφέλη, έχει επίσης περιορισμούς. Μερικοί από τους περιορισμούς του ToF περιλαμβάνουν:

• Διάσπαρτο φως

Εάν πολύ φωτεινές επιφάνειες βρίσκονται πολύ κοντά στον αισθητήρα ToF σας, μπορεί να διασκορπίσουν πολύ φως στον δέκτη σας και να δημιουργήσουν τεχνουργήματα και ανεπιθύμητες αντανακλάσεις, καθώς ο αισθητήρας ToF χρειάζεται να αντανακλά το φως μόνο όταν είναι έτοιμη η μέτρηση.

• Πολλαπλές αντανακλάσεις

Όταν χρησιμοποιείτε αισθητήρες ToF σε γωνίες και κοίλα σχήματα, μπορεί να προκαλέσουν ανεπιθύμητες αντανακλάσεις, καθώς το φως μπορεί να αναπηδήσει πολλές φορές, παραμορφώνοντας τη μέτρηση.

• Φως περιβάλλοντος

Η χρήση της κάμερας ToF σε εξωτερικούς χώρους σε έντονο ηλιακό φως μπορεί να κάνει δύσκολη τη χρήση σε εξωτερικούς χώρους. Αυτό οφείλεται στην υψηλή ένταση του ηλιακού φωτός που προκαλεί τον γρήγορο κορεσμό των εικονοστοιχείων του αισθητήρα, καθιστώντας αδύνατο τον εντοπισμό του πραγματικού φωτός που ανακλάται από το αντικείμενο.

• Το συμπέρασμα

Αισθητήρες ToF καιΦακός ToFμπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές. Από τρισδιάστατη χαρτογράφηση, βιομηχανικός αυτοματισμός, ανίχνευση εμποδίων, αυτο-οδηγούμενα αυτοκίνητα, γεωργία, ρομποτική, πλοήγηση σε εσωτερικούς χώρους, αναγνώριση χειρονομιών, σάρωση αντικειμένων, μετρήσεις, επιτήρηση έως επαυξημένη πραγματικότητα! Οι εφαρμογές της τεχνολογίας ToF είναι ατελείωτες.

Μπορείτε να επικοινωνήσετε μαζί μας για οποιεσδήποτε ανάγκες φακών ToF.

Η Chuang An Optoelectronics εστιάζει σε οπτικούς φακούς υψηλής ευκρίνειας για να δημιουργήσει μια τέλεια οπτική επωνυμία

Η Chuang An Optoelectronics έχει πλέον παράγει μια ποικιλία απόΦακοί TOFόπως:

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