1. ¿Qué es un sensor de tiempo de vuelo (ToF)?

¿Qué es una cámara de tiempo de vuelo? ¿Es la cámara que captura el vuelo del avión? ¿Tiene algo que ver con los aviones? Bueno, ¡en realidad falta mucho para eso!

El tiempo de vuelo (TOF) mide el tiempo que tarda un objeto, partícula u onda en recorrer una distancia. ¿Sabías cómo funciona el sistema de sonar de un murciélago? ¡El sistema de tiempo de vuelo es similar!

Hay muchos tipos de sensores de tiempo de vuelo, pero la mayoría son cámaras de tiempo de vuelo y escáneres láser, que utilizan una tecnología llamada lidar (detección y alcance de luz) para medir la profundidad de varios puntos en una imagen al iluminarla con luz infrarroja.

Los datos generados y capturados mediante sensores ToF son muy útiles ya que pueden proporcionar detección de peatones, autenticación de usuarios basada en características faciales, mapeo del entorno mediante algoritmos SLAM (localización y mapeo simultáneos) y más.

Este sistema se usa ampliamente en robots, coches autónomos e incluso ahora en tu dispositivo móvil. Por ejemplo, si usas un Huawei P30 Pro, un Oppo RX17 Pro, un LG G8 ThinQ, etc., ¡tu teléfono tiene una cámara ToF!

Una cámara ToF

2. ¿Cómo funciona el sensor de tiempo de vuelo?

Ahora, nos gustaría dar una breve introducción de qué es un sensor de tiempo de vuelo y cómo funciona.

Tiempo de vueloLos sensores utilizan láseres diminutos para emitir luz infrarroja. La luz resultante rebota en cualquier objeto y regresa al sensor. Basándose en la diferencia de tiempo entre la emisión de la luz y su retorno al sensor tras ser reflejada por el objeto, el sensor puede medir la distancia entre el objeto y el sensor.

Hoy, exploraremos dos formas en las que ToF usa el tiempo de viaje para determinar la distancia y la profundidad: usando pulsos de temporización y usando el cambio de fase de ondas moduladas en amplitud.

Utilice pulsos temporizados

Por ejemplo, funciona iluminando un objetivo con un láser, midiendo la luz reflejada con un escáner y, a continuación, utilizando la velocidad de la luz para extrapolar la distancia del objeto y calcular con precisión la distancia recorrida. Además, la diferencia en el tiempo de retorno del láser y la longitud de onda se utiliza para crear una representación digital 3D precisa y las características de la superficie del objetivo, y mapear visualmente sus características individuales.

Como puede ver arriba, la luz láser se dispara y rebota en el objeto hacia el sensor. Gracias al tiempo de retorno del láser, las cámaras ToF pueden medir distancias precisas en poco tiempo, dada la velocidad de la luz. (ToF se convierte en distancia). Esta es la fórmula que utiliza un analista para calcular la distancia exacta de un objeto:

(velocidad de la luz x tiempo de vuelo) / 2

ToF se convierte en distancia

Como puede ver, el temporizador comenzará a contar mientras la luz esté apagada, y cuando el receptor reciba la luz de retorno, el temporizador devolverá la hora. Al restar dos veces, se obtiene el tiempo de vuelo de la luz, y la velocidad de la luz es constante, por lo que la distancia se puede calcular fácilmente usando la fórmula anterior. De esta manera, se pueden determinar todos los puntos en la superficie del objeto.

Utilice el cambio de fase de la onda AM

A continuación, elTiempo de vueloTambién se pueden utilizar ondas continuas para detectar el cambio de fase de la luz reflejada para determinar la profundidad y la distancia.

Desplazamiento de fase mediante ondas AM

Al modular la amplitud, se crea una fuente de luz sinusoidal con una frecuencia conocida, lo que permite al detector determinar el desplazamiento de fase de la luz reflejada utilizando la siguiente fórmula:

donde c es la velocidad de la luz (c = 3 × 10^8 m/s), λ es una longitud de onda (λ = 15 m) y f es la frecuencia, cada punto del sensor se puede calcular fácilmente en profundidad.

Todo esto sucede muy rápido, ya que trabajamos a la velocidad de la luz. ¿Te imaginas la precisión y velocidad con la que los sensores pueden medir? Por ejemplo, la luz viaja a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo. Si un objeto está a 5 m de ti, la diferencia de tiempo entre la luz que sale de la cámara y su regreso es de unos 33 nanosegundos, lo que equivale a solo 0,000000033 segundos. ¡Increíble! Además, los datos capturados te proporcionarán una representación digital 3D precisa de cada píxel de la imagen.

Independientemente del principio utilizado, al proporcionar una fuente de luz que ilumine toda la escena, el sensor puede determinar la profundidad de todos los puntos. Este resultado genera un mapa de distancias donde cada píxel codifica la distancia al punto correspondiente en la escena. El siguiente es un ejemplo de un gráfico de rango de ToF:

Un ejemplo de un gráfico de rango ToF

Ahora que sabemos que el ToF funciona, ¿por qué es bueno? ¿Por qué usarlo? ¿Para qué sirve? No te preocupes, usar un sensor ToF tiene muchas ventajas, pero, por supuesto, también tiene algunas limitaciones.

3. Los beneficios de utilizar sensores de tiempo de vuelo

Medición precisa y rápida

En comparación con otros sensores de distancia, como los ultrasonidos o los láseres, los sensores de tiempo de vuelo (TOF) pueden componer una imagen 3D de una escena con gran rapidez. Por ejemplo, una cámara TOF solo puede hacerlo una vez. Además, el sensor TOF detecta objetos con precisión en poco tiempo y no se ve afectado por la humedad, la presión atmosférica ni la temperatura, lo que lo hace apto tanto para interiores como para exteriores.

larga distancia

Dado que los sensores ToF utilizan láseres, también son capaces de medir largas distancias y alcances con gran precisión. Son flexibles, ya que pueden detectar objetos cercanos y lejanos de todas las formas y tamaños.

También es flexible en el sentido de que puede personalizar la óptica del sistema para un rendimiento óptimo, donde puede elegir los tipos de transmisor y receptor y las lentes para obtener el campo de visión deseado.

Seguridad

Preocupado por el láser delTiempo de vuelo¿El sensor te dañará la vista? ¡No te preocupes! Muchos sensores ToF utilizan un láser infrarrojo de baja potencia como fuente de luz y lo activan con pulsos modulados. El sensor cumple con las normas de seguridad láser de Clase 1 para garantizar su seguridad para el ojo humano.

rentable

En comparación con otras tecnologías de escaneo de profundidad 3D, como los sistemas de cámaras de luz estructurada o los telémetros láser, los sensores ToF son mucho más económicos.

A pesar de todas estas limitaciones, ToF sigue siendo un método muy confiable y muy rápido para capturar información 3D.

4. Limitaciones de ToF

Aunque ToF ofrece muchas ventajas, también presenta limitaciones. Algunas de ellas incluyen:

• Luz dispersa

Si hay superficies muy brillantes muy cerca de su sensor ToF, pueden dispersar demasiada luz en su receptor y crear artefactos y reflejos no deseados, ya que su sensor ToF solo necesita reflejar la luz una vez que la medición está lista.

• Múltiples reflexiones

Al utilizar sensores ToF en esquinas y formas cóncavas, pueden producirse reflejos no deseados, ya que la luz puede rebotar varias veces y distorsionar la medición.

• Luz ambiental

Usar la cámara ToF en exteriores con luz solar intensa puede dificultar su uso. Esto se debe a que la alta intensidad de la luz solar provoca la rápida saturación de los píxeles del sensor, lo que imposibilita la detección de la luz reflejada por el objeto.

• La conclusión

Sensores ToF yLente ToFSe puede utilizar en diversas aplicaciones. Desde mapeo 3D, automatización industrial, detección de obstáculos, vehículos autónomos, agricultura, robótica, navegación en interiores, reconocimiento de gestos, escaneo de objetos, mediciones, vigilancia y realidad aumentada. Las aplicaciones de la tecnología ToF son infinitas.

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