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

¿Qué es una cámara de tiempo de vuelo? ¿Es la cámara la que capta 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 u onda en recorrer una distancia. ¿Sabías que el sistema de sonar de un murciélago funciona? ¡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 rasgos faciales, mapeo del entorno utilizando algoritmos SLAM (localización y mapeo simultáneos), y más.

En realidad, este sistema se utiliza ampliamente en robots, vehículos autónomos e incluso ahora en dispositivos móviles. 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 utilizan pequeños láseres 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 regreso al sensor después de ser reflejada por el objeto, el sensor puede medir la distancia entre el objeto y el sensor.

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

Utilice 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 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 trazar visualmente sus características individuales.

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

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

ToF se convierte en distancia

Como puede ver, el cronómetro se pondrá en marcha mientras la luz esté apagada, y cuando el receptor reciba la luz de retorno, el cronómetro 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 de la superficie del objeto.

Utilice el cambio de fase de la onda AM

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

Cambio de fase usando onda AM

Al modular la amplitud, crea una fuente de luz sinusoidal con una frecuencia conocida, lo que permite al detector determinar el cambio de fase de la luz reflejada mediante 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.

Todas estas cosas suceden muy rápido mientras trabajamos a la velocidad de la luz. ¿Te imaginas la precisión y velocidad con la que los sensores son capaces de medir? Déjame darte un 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 regresa es de unos 33 nanosegundos, lo que solo equivale a 0,000000033 segundos. ¡Guau! Sin mencionar que los datos capturados le brindarán una representación digital 3D precisa de cada píxel de la imagen.

Independientemente del principio utilizado, proporcionar una fuente de luz que ilumine toda la escena permite al sensor determinar la profundidad de todos los puntos. Este resultado le brinda 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 sirven? No se preocupe, el uso de un sensor ToF tiene muchas ventajas, pero, por supuesto, existen 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 son capaces de componer una imagen 3D de una escena muy rápidamente. Por ejemplo, una cámara ToF puede hacer esto sólo 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 uso en interiores como en exteriores.

larga distancia

Dado que los sensores ToF utilizan 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 de transmisor y receptor para obtener el campo de visión deseado.

Seguridad

¿Le preocupa que el láser delTOF¿El sensor te dañará los ojos? ¡no te preocupes! Muchos sensores ToF ahora utilizan un láser infrarrojo de baja potencia como fuente de luz y lo impulsan con pulsos modulados. El sensor cumple con los estándares de seguridad láser 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 los sistemas de cámaras de luz estructurada o los telémetros láser, los sensores ToF son mucho más baratos.

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 tiene muchos beneficios, también tiene limitaciones. Algunas de las limitaciones de ToF 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 esté lista.

• Múltiples reflexiones

Cuando se utilizan sensores ToF en esquinas y formas cóncavas, pueden provocar reflejos no deseados, ya que la luz puede rebotar varias veces, distorsionando la medición.

• Luz ambiental

El uso de la cámara ToF en exteriores bajo luz solar intensa puede dificultar su uso en exteriores. Esto se debe a que la alta intensidad de la luz solar hace que los píxeles del sensor se saturen rápidamente, haciendo imposible detectar la luz real reflejada por el objeto.

• la conclusión

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

Puede contactarnos para cualquier necesidad de lentes ToF.

Chuang An Optoelectronics se centra en lentes ópticas de alta definición para crear una marca visual perfecta

Chuang An Optoelectronics ahora 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 f3.9mm 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