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? ¡Pues la verdad es que está muy lejos de la realidad!

El tiempo de vuelo (ToF) es una medida del tiempo que tarda un objeto, partícula u onda en recorrer una distancia. ¿Sabías que el sistema de sonar de los murciélagos funciona? ¡El sistema de tiempo de vuelo es similar!

Existen 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 medición de distancia mediante luz) para medir la profundidad de varios puntos en una imagen iluminándola con luz infrarroja.

Los datos generados y capturados mediante sensores ToF son muy útiles, ya que permiten la detección de peatones, la autenticación de usuarios basada en rasgos faciales, la elaboración de mapas del entorno mediante algoritmos SLAM (localización y mapeo simultáneos) y mucho más.

Este sistema se utiliza 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 ofrecer una breve introducción sobre qué es un sensor de tiempo de vuelo y cómo funciona.

ToFLos sensores utilizan pequeños láseres para emitir luz infrarroja, la cual 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 maneras en que la ToF utiliza el tiempo de viaje para determinar la distancia y la profundidad: mediante pulsos de temporización y mediante el desplazamiento 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 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 superficiales del objetivo, y para mapear visualmente sus características individuales.

Como se puede observar arriba, la luz láser se emite y rebota en el objeto, regresando al sensor. Gracias al tiempo de retorno del láser, las cámaras ToF pueden medir distancias precisas en un corto período de tiempo, considerando la velocidad de la luz. (ToF convierte la 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

El tiempo de vuelo se convierte en distancia.

Como se puede observar, el temporizador se activará cuando la luz esté apagada, y cuando el receptor reciba la luz de retorno, el temporizador devolverá el tiempo. Al restar dos veces, se obtiene el tiempo de vuelo de la luz, y como la velocidad de la luz es constante, la distancia se puede calcular fácilmente utilizando la fórmula anterior. De esta manera, se pueden determinar todos los puntos de la superficie del objeto.

Utilice el desfase de la onda AM.

A continuación, elToFTambién se pueden utilizar ondas continuas para detectar el desfase de la luz reflejada y así determinar la profundidad y la distancia.

Desfase mediante onda AM

Al modular la amplitud, crea una fuente de luz sinusoidal con una frecuencia conocida, lo que permite al detector determinar el desfase 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 la velocidad con la que los sensores pueden medir? Por ejemplo, la luz viaja a 300 000 kilómetros por segundo. Si un objeto está a 5 metros de distancia, la diferencia de tiempo entre que la luz sale de la cámara y regresa es de aproximadamente 33 nanosegundos, ¡lo que equivale a tan solo 0,000000033 segundos! ¡Increíble! Además, los datos capturados te 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 genera un mapa de distancias donde cada píxel codifica la distancia al punto correspondiente en la escena. A continuación, se muestra un ejemplo de un gráfico de rango ToF:

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 algunas limitaciones.

3. Beneficios del uso de sensores de tiempo de vuelo

Medición precisa y rápida

En comparación con otros sensores de distancia, como los de ultrasonido o láser, los sensores de tiempo de vuelo (ToF) pueden generar 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 uso en interiores como en exteriores.

larga distancia

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

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

Seguridad

Preocupado de que el láser delToF¿El sensor dañará tus ojos? ¡No te preocupes! Muchos sensores ToF ahora utilizan un láser infrarrojo de baja potencia como fuente de luz y lo alimentan con pulsos modulados. El sensor cumple con los estándares de seguridad láser de Clase 1 para garantizar que sea seguro para la vista humana.

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 económicos.

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

4. Limitaciones del ToF

Si bien la tecnología ToF tiene muchos beneficios, también tiene limitaciones. Algunas de las limitaciones de ToF incluyen:

• Luz dispersa

Si hay superficies muy brillantes muy cerca del sensor ToF, pueden dispersar demasiada luz hacia el receptor y crear artefactos y reflejos no deseados, ya que el sensor ToF solo necesita reflejar la luz una vez que la medición esté 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, distorsionando la medición.

• Luz ambiental

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

• La conclusión

sensores ToF ylente ToFPuede utilizarse en una gran variedad de aplicaciones: desde mapeo 3D, automatización industrial, detección de obstáculos, vehículos autónomos, agricultura, robótica, navegación en interiores, reconocimiento de gestos, escaneo de objetos, mediciones y vigilancia, ¡hasta realidad aumentada! Las aplicaciones de la tecnología ToF son infinitas.

Puede ponerse en contacto con nosotros para cualquier necesidad relacionada con lentes ToF.

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

Chuang An Optoelectronics ha producido ahora 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