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

Τι είναι μια κάμερα χρόνου πτήσης; Είναι η κάμερα που καταγράφει την πτήση του αεροπλάνου; Έχει κάποια σχέση με αεροπλάνα ή με αεροπλάνα; Λοιπόν, είναι στην πραγματικότητα πολύ μακριά!

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

Υπάρχουν πολλά είδη αισθητήρων χρόνου πτήσης, αλλά οι περισσότεροι είναι κάμερες χρόνου πτήσης και σαρωτές λέιζερ, οι οποίοι χρησιμοποιούν μια τεχνολογία που ονομάζεται lidar (ανίχνευση και μέτρηση εύρους φωτός) για να μετρήσουν το βάθος διαφόρων σημείων σε μια εικόνα φωτίζοντάς την με υπέρυθρο φως.

Τα δεδομένα που παράγονται και συλλέγονται με τη 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 εντοπισμός και χαρτογράφηση) και πολλά άλλα.

Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται ευρέως σε ρομπότ, αυτοκίνητα χωρίς οδηγό, ακόμη και τώρα στις κινητές συσκευές σας. Για παράδειγμα, αν 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 στο τι είναι ένας αισθητήρας χρόνου πτήσης και πώς λειτουργεί.

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

Σήμερα, θα εξερευνήσουμε 2 τρόπους με τους οποίους το ToF χρησιμοποιεί τον χρόνο διαδρομής για να προσδιορίσει την απόσταση και το βάθος: χρησιμοποιώντας παλμούς χρονισμού και χρησιμοποιώντας μετατόπιση 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 υπολογίσει την απόσταση του αντικειμένου με ακρίβεια, ώστε να υπολογίσει την απόσταση που διανύθηκε. Επιπλέον, η διαφορά στον χρόνο επιστροφής του λέιζερ και το μήκος κύματος χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να δημιουργηθεί μια ακριβής ψηφιακή τρισδιάστατη αναπαράσταση και τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του στόχου, και να χαρτογραφηθούν οπτικά τα επιμέρους χαρακτηριστικά του.

Όπως μπορείτε να δείτε παραπάνω, το φως λέιζερ εκπέμπεται και στη συνέχεια αναπηδά από το αντικείμενο πίσω στον αισθητήρα. Με τον χρόνο επιστροφής του λέιζερ, οι κάμερες ToF είναι σε θέση να μετρήσουν 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 καταλήξει στην ακριβή απόσταση ενός αντικειμένου:

(ταχύτητα φωτός x χρόνος 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, θα επιστρέψει την ώρα. Αφαιρώντας δύο φορές, λαμβάνεται 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, τοToFμπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν συνεχή κύματα για να ανιχνεύσουν τη μετατόπιση φάσης του ανακλώμενου φωτός για να προσδιορίσουν το βάθος και την απόσταση.

Μετατόπιση φάσης χρησιμοποιώντας κύμα AM

Ρυθμίζοντας το πλάτος, δημιουργεί μια ημιτονοειδή 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 το μήκος κύματος (λ = 15 m) και f είναι η συχνότητα, κάθε σημείο στον 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 είναι σε θέση να μετρήσουν; Επιτρέψτε μου να δώσω ένα παράδειγμα: το φως ταξιδεύει με ταχύτητα 300.000 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο. Αν ένα αντικείμενο βρίσκεται 5 μέτρα μακριά σας, η χρονική διαφορά μεταξύ του φωτός που φεύγει από την κάμερα και επιστρέφει είναι περίπου 33 νανοδευτερόλεπτα, που ισοδυναμεί μόνο με 0,000000033 δευτερόλεπτα! Ουάου! Για να μην αναφέρουμε ότι 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 πηγής φωτός που φωτίζει ολόκληρη τη σκηνή επιτρέπει στον αισθητήρα να προσδιορίσει το βάθος όλων των σημείων. Ένα τέτοιο αποτέλεσμα σας δίνει έναν χάρτη απόστασης όπου κάθε εικονοστοιχείο κωδικοποιεί την απόσταση από το αντίστοιχο σημείο της σκηνής. Το ακόλουθο είναι ένα παράδειγμα γραφήματος εύρους ToF:

Ένα παράδειγμα γραφήματος εύρους ToF

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

3. Τα οφέλη από τη χρήση αισθητήρων χρόνου πτήσης

Ακριβής και γρήγορη μέτρηση

Σε σύγκριση με άλλους αισθητήρες απόστασης, όπως οι υπέρηχοι ή τα 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. Επιπλέον, 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, γεγονός που τον καθιστά 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 εμβέλειες 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 του συστήματος για βέλτιστη απόδοση, όπου μπορείτε να επιλέξετε τους τύπους πομπού και δέκτη και τους φακούς για να έχετε το επιθυμητό οπτικό πεδίο.

Ασφάλεια

Ανησυχώ ότι το λέιζερ από τοToFΘα βλάψει ο αισθητήρας τα μάτια σας; Μην ανησυχείτε! Πολλοί αισθητήρες ToF χρησιμοποιούν πλέον ένα υπέρυθρο λέιζερ χαμηλής ισχύος ως πηγή φωτός και το τροφοδοτούν με διαμορφωμένους παλμούς. Ο αισθητήρας πληροί τα πρότυπα ασφαλείας λέιζερ Κλάσης 1 για να διασφαλιστεί ότι είναι ασφαλής για το ανθρώπινο μάτι.

οικονομικά αποδοτικό

Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες σάρωσης βάθους τρισδιάστατης απεικόνισης, όπως τα συστήματα κάμερας δομημένου φωτός ή τα αποστασιόμετρα λέιζερ, οι αισθητήρες ToF είναι πολύ φθηνότεροι σε σύγκριση με αυτά.

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

4. Περιορισμοί του ToF

Παρόλο που το ToF έχει πολλά οφέλη, έχει και περιορισμούς. Μερικοί από τους περιορισμούς του ToF περιλαμβάνουν:

• Διάσπαρτο φως

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

• Πολλαπλές αντανακλάσεις

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

• Φως περιβάλλοντος

Η χρήση της κάμερας ToF σε εξωτερικούς χώρους με έντονο ηλιακό φως μπορεί να δυσχεράνει τη χρήση σε εξωτερικούς χώρους. Αυτό οφείλεται στην υψηλή ένταση του ηλιακού φωτός που προκαλεί γρήγορο κορεσμό των pixel του αισθητήρα, καθιστώντας αδύνατη την ανίχνευση του πραγματικού φωτός που ανακλάται από το αντικείμενο.

• Το συμπέρασμα

αισθητήρες ToF καιΦακός ToFμπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία εφαρμογών. Από τρισδιάστατη χαρτογράφηση, βιομηχανικό αυτοματισμό, ανίχνευση εμποδίων, αυτόνομα αυτοκίνητα, γεωργία, ρομποτική, πλοήγηση εσωτερικών χώρων, αναγνώριση χειρονομιών, σάρωση αντικειμένων, μετρήσεις, επιτήρηση έως επαυξημένη πραγματικότητα! Οι εφαρμογές της τεχνολογίας ToF είναι ατελείωτες.

Μπορείτε να επικοινωνήσετε μαζί μας για οποιαδήποτε ανάγκη σας σε φακούς ToF.

Η Chuang An Optoelectronics επικεντρώνεται 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