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

¿Qué es una cámara de tiempo de vuelo? ¿Es la cámara la que captura el vuelo del avión? ¿Tiene algo que ver con aviones o aviones? Bueno, ¡en realidad está muy lejos!

TOF es una medida del tiempo que tarda un objeto, partícula o una onda para viajar a una distancia. ¿Sabías que 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 usan una tecnología llamada LiDAR (detección de luz y rango) para medir la profundidad de varios puntos en una imagen al brillarla con luz infrarroja.

Los datos generados y capturados con los sensores TOF son muy útiles, ya que puede proporcionar detección de peatones, autenticación del usuario basada en características faciales, mapeo de entorno utilizando algoritmos SLAM (localización y mapeo simultáneo), y más.

Este sistema se usa ampliamente en robots, autos autónomos e incluso ahora en su dispositivo móvil. Por ejemplo, si está utilizando Huawei P30 Pro, OPPO RX17 Pro, LG G8 Thinq, etc., ¡su 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.

TOFLos sensores usan láseres pequeños para emitir luz infrarroja, donde la luz resultante rebota en cualquier objeto y regresa al sensor. Basado en la diferencia de tiempo entre la emisión de luz y el retorno al sensor después de ser reflejado por el objeto, el sensor puede medir la distancia entre el objeto y el sensor.

Hoy, exploraremos 2 formas en que TOF usa el tiempo de viaje para determinar la distancia y la profundidad: el uso de pulsos de sincronización y el uso de fase de cambio de ondas moduladas de amplitud.

Use pulsos cronometrados

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

Como puede ver arriba, la luz láser se dispara y luego rebota en el objeto al sensor. Con el tiempo de retorno del láser, las cámaras TOF pueden medir distancias precisas en un corto período de tiempo dada la velocidad del viaje de luz. (TOF se convierte en distancia) Esta es la fórmula que un analista utiliza para llegar a la distancia exacta de un objeto:

(Velocidad de luz x hora de vuelo) / 2

TOF se convierte en distancia

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

Use el cambio de fase de la onda AM

A continuación, elTOFTambién puede usar ondas continuas para detectar el cambio de fase de la luz reflejada para determinar la profundidad y la distancia.

Cambio de fase usando la onda am

Al modular la amplitud, crea una fuente de luz sinusoidal con una frecuencia conocida, lo que permite que el detector determine el cambio de fase de la luz reflejada usando 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 en el sensor se puede calcular fácilmente en profundidad.

Todas estas cosas suceden muy rápido mientras trabajamos a la velocidad de la luz. ¿Te imaginas la precisión y la velocidad con las que los sensores pueden medir? Permítanme dar un ejemplo, la luz viaja a una velocidad de 300,000 kilómetros por segundo, si un objeto está a 5 m de distancia de usted, la diferencia de tiempo entre la luz que sale de la cámara y el regreso es de aproximadamente 33 nanosegundos, que es equivalente a 0.000000033 segundos! ¡Guau! Sin mencionar que los datos capturados le darán una representación digital 3D precisa para cada píxel de la imagen.

Independientemente del principio utilizado, proporcionando una fuente de luz que ilumina toda la escena permite que el sensor determine la profundidad de todos los puntos. Tal resultado le da un mapa de distancia donde cada píxel codifica la distancia al punto correspondiente en la escena. El siguiente es un ejemplo de un gráfico de rango TOF:

Un ejemplo de un gráfico de rango TOF

Ahora que sabemos que TOF funciona, ¿por qué es bueno? ¿Por qué usarlo? ¿Para qué son buenos? No se preocupe, hay muchas ventajas en usar un sensor TOF, pero, por supuesto, hay algunas limitaciones.

3. Los beneficios de usar sensores de tiempo de vuelo

Medición precisa y rápida

En comparación con otros sensores de distancia, como ultrasonido o láseres, los sensores de tiempo de vuelo pueden componer una imagen 3D de una escena muy rápidamente. Por ejemplo, una cámara TOF puede hacer esto solo una vez. No solo eso, el sensor TOF es capaz de detectar objetos con precisión en poco tiempo y no se ve afectado por la humedad, la presión del aire y la temperatura, lo que lo hace adecuado tanto para el uso interior como para el exterior.

larga distancia

Dado que los sensores TOF usan láseres, también son capaces de medir largas distancias y rangos con alta precisión. Los sensores TOF son flexibles porque 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 y lentes del transmisor y el receptor para obtener el campo de visión deseado.

Seguridad

Preocupado de que el láser delTOF¿El sensor te lastimará los ojos? ¡no te preocupes! Muchos sensores TOF ahora usan un láser infrarrojo de baja potencia como fuente de luz y lo conducen con pulsos modulados. El sensor cumple con los estándares de seguridad láser de clase 1 para garantizar que sea seguro para el ojo humano.

rentable

En comparación con otras tecnologías de escaneo de rango de profundidad 3D, como sistemas de cámara de luz estructurada o confinetos láser, los sensores TOF son mucho más baratos en comparación con ellos.

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

4. Limitaciones de TOF

Aunque TOF tiene muchos beneficios, también tiene limitaciones. Algunas de las limitaciones de TOF incluyen:

• Luz dispersa

Si las superficies muy brillantes están 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 esté lista.

• Múltiples reflexiones

Al usar sensores TOF en las esquinas y las formas cóncavas, pueden causar reflejos no deseados, ya que la luz puede rebotar varias veces, distorsionando la medición.

• Luz ambiental

El uso de la cámara TOF al aire libre a la luz del sol brillante puede dificultar el uso al aire libre. Esto se debe a la alta intensidad de la luz solar, lo que hace que los píxeles del sensor se saturen rápidamente, lo que hace que sea imposible detectar la luz real reflejada del objeto.

• La conclusión

Sensores de tof yLente tofse puede usar en una variedad de aplicaciones. ¡Desde mapeo 3D, automatización industrial, detección de obstáculos, automóviles autónomos, agricultura, robótica, navegación en interiores, reconocimiento de gestos, escaneo de objetos, mediciones, vigilancia a la realidad aumentada! Las aplicaciones de la tecnología TOF son infinitas.

Puede contactarnos para cualquier necesidad de lentes TOF.

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Chuang An Optoelectronics ha producido una variedad deLentes TOFcomo:

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 F3.9 mm F1.1 1/3 ″ IR850NM

CH3653B F3.9 mm F1.1 1/3 ″ IR940NM

CH3654A F5.0MM F1.1 1/3 ″ IR850NM

CH3654B F5.0MM F1.1 1/3 ″ IR940NM