1. سنسور زمان پرواز (ToF) چیست؟

دوربین زمان پرواز چیست؟ آیا این دوربین است که از پرواز هواپیما عکس می گیرد؟ ربطی به هواپیما یا هواپیما داره؟ خوب، در واقع راه زیادی است!

ToF اندازه گیری مدت زمانی است که یک جسم، ذره یا موج طول می کشد تا مسافتی را طی کند. آیا می دانستید که سیستم سونار خفاش کار می کند؟ سیستم زمان پرواز مشابه است!

انواع مختلفی از سنسورهای زمان پرواز وجود دارد، اما اکثر آنها دوربین های زمان پرواز و اسکنرهای لیزری هستند که از فناوری به نام لیدار (تشخیص و محدوده نور) برای اندازه گیری عمق نقاط مختلف در یک تصویر با تاباندن آن استفاده می کنند. با نور مادون قرمز

داده های تولید و ضبط شده با استفاده از حسگرهای ToF بسیار مفید است زیرا می تواند تشخیص عابر پیاده، احراز هویت کاربر بر اساس ویژگی های چهره، نقشه برداری محیط با استفاده از الگوریتم های SLAM (محلی سازی و نقشه برداری همزمان) و موارد دیگر را ارائه دهد.

این سیستم در واقع به طور گسترده در ربات ها، اتومبیل های خودران و حتی در حال حاضر دستگاه تلفن همراه شما استفاده می شود. به عنوان مثال، اگر از Huawei P30 Pro، Oppo RX17 Pro، LG G8 ThinQ و غیره استفاده می کنید، گوشی شما دارای دوربین ToF است!

یک دوربین ToF

2. سنسور زمان پرواز چگونه کار می کند؟

اکنون، می‌خواهیم یک معرفی مختصر از چیستی حسگر زمان پرواز و نحوه عملکرد آن ارائه دهیم.

ToFحسگرها از لیزرهای ریز برای ساطع نور مادون قرمز استفاده می کنند، جایی که نور حاصل از هر جسمی منعکس شده و به حسگر باز می گردد. بر اساس اختلاف زمانی بین انتشار نور و بازگشت به حسگر پس از انعکاس توسط جسم، سنسور می تواند فاصله بین جسم و سنسور را اندازه گیری کند.

امروز، ما 2 روش را بررسی خواهیم کرد که چگونه ToF از زمان سفر برای تعیین مسافت و عمق استفاده می کند: استفاده از پالس های زمان بندی و استفاده از تغییر فاز امواج مدوله شده با دامنه.

از پالس های زمان دار استفاده کنید

به عنوان مثال، با روشن کردن یک هدف با لیزر، سپس اندازه‌گیری نور منعکس شده با اسکنر، و سپس استفاده از سرعت نور برای برون‌یابی فاصله جسم برای محاسبه دقیق مسافت طی شده، کار می‌کند. علاوه بر این، تفاوت در زمان بازگشت لیزر و طول موج سپس برای ایجاد یک نمایش دیجیتالی سه بعدی دقیق و ویژگی‌های سطحی هدف، و ترسیم بصری ویژگی‌های فردی آن استفاده می‌شود.

همانطور که در بالا می بینید، نور لیزر به بیرون پرتاب می شود و سپس از جسم به سمت حسگر باز می گردد. با زمان بازگشت لیزر، دوربین های ToF قادر به اندازه گیری فواصل دقیق در مدت زمان کوتاه با توجه به سرعت حرکت نور هستند. (ToF به فاصله تبدیل می شود) این فرمولی است که یک تحلیلگر برای رسیدن به فاصله دقیق یک شی از آن استفاده می کند:

(سرعت نور x زمان پرواز) / 2

ToF به فاصله تبدیل می شود

همانطور که می بینید، تایمر زمانی که چراغ خاموش است شروع به کار می کند و زمانی که گیرنده چراغ برگشت را دریافت کرد، تایمر زمان را برمی گرداند. با کم کردن دو بار، "زمان پرواز" نور به دست می آید و سرعت نور ثابت است، بنابراین با استفاده از فرمول بالا می توان فاصله را به راحتی محاسبه کرد. به این ترتیب می توان تمام نقاط روی سطح جسم را تعیین کرد.

از تغییر فاز موج AM استفاده کنید

بعد،ToFهمچنین می تواند از امواج پیوسته برای تشخیص تغییر فاز نور منعکس شده برای تعیین عمق و فاصله استفاده کند.

تغییر فاز با استفاده از موج AM

با تعدیل دامنه، یک منبع نور سینوسی با فرکانس مشخص ایجاد می‌کند که به آشکارساز اجازه می‌دهد تا تغییر فاز نور بازتاب‌شده را با استفاده از فرمول زیر تعیین کند:

که در آن c سرعت نور (c = 3 × 10^8 m/s)، λ طول موج (λ = 15 متر) و f فرکانس است، هر نقطه روی سنسور را می توان به راحتی در عمق محاسبه کرد.

همه این چیزها خیلی سریع اتفاق می‌افتند زیرا ما با سرعت نور کار می‌کنیم. آیا می توانید دقت و سرعتی را که حسگرها قادر به اندازه گیری هستند تصور کنید؟ بگذارید مثالی بزنم، نور با سرعت 300000 کیلومتر در ثانیه حرکت می کند، اگر جسمی در 5 متری شما باشد، اختلاف زمانی بین نور خروجی از دوربین و بازگشت آن حدود 33 نانوثانیه است که فقط معادل 0.000000033 ثانیه است! عجب! ناگفته نماند، داده های گرفته شده به شما یک نمایش دیجیتال سه بعدی دقیق برای هر پیکسل در تصویر می دهد.

صرف نظر از اصل مورد استفاده، ارائه منبع نوری که کل صحنه را روشن می کند، به سنسور اجازه می دهد تا عمق تمام نقاط را تعیین کند. چنین نتیجه ای به شما یک نقشه فاصله می دهد که در آن هر پیکسل فاصله تا نقطه مربوطه در صحنه را رمزگذاری می کند. در زیر نمونه ای از نمودار محدوده ToF آمده است:

نمونه ای از نمودار محدوده ToF

حالا که می دانیم ToF کار می کند، چرا خوب است؟ چرا از آن استفاده کنید؟ برای چی خوبن؟ نگران نباشید، استفاده از حسگر ToF مزایای زیادی دارد، اما البته محدودیت هایی نیز وجود دارد.

3. مزایای استفاده از سنسورهای زمان پرواز

اندازه گیری دقیق و سریع

در مقایسه با سایر سنسورهای فاصله مانند اولتراسوند یا لیزر، سنسورهای زمان پرواز قادر به ایجاد تصویر سه بعدی از یک صحنه بسیار سریع هستند. به عنوان مثال، یک دوربین ToF فقط یک بار می تواند این کار را انجام دهد. نه تنها این، سنسور ToF قادر به تشخیص دقیق اجسام در مدت زمان کوتاه است و تحت تأثیر رطوبت، فشار هوا و دما قرار نمی گیرد، و آن را برای استفاده در محیط های داخلی و خارجی مناسب می کند.

مسافت طولانی

از آنجایی که حسگرهای ToF از لیزر استفاده می کنند، می توانند فواصل و بردهای طولانی را نیز با دقت بالایی اندازه گیری کنند. حسگرهای ToF انعطاف پذیر هستند زیرا قادر به تشخیص اجسام دور و نزدیک در هر شکل و اندازه هستند.

همچنین انعطاف پذیر است به این معنا که شما می توانید اپتیک سیستم را برای عملکرد بهینه شخصی سازی کنید، جایی که می توانید انواع فرستنده و گیرنده و لنزها را برای بدست آوردن میدان دید مورد نظر انتخاب کنید.

ایمنی

نگران این است که لیزر ازToFحسگر به چشم شما آسیب می رساند؟ نگران نباش! بسیاری از سنسورهای ToF اکنون از یک لیزر مادون قرمز کم مصرف به عنوان منبع نور استفاده می کنند و آن را با پالس های مدوله شده هدایت می کنند. این سنسور با استانداردهای ایمنی لیزر کلاس 1 مطابقت دارد تا اطمینان حاصل شود که برای چشم انسان ایمن است.

مقرون به صرفه

در مقایسه با سایر فناوری‌های اسکن عمق سه بعدی مانند سیستم‌های دوربین نور ساختاریافته یا فاصله‌یاب‌های لیزری، حسگرهای ToF در مقایسه با آنها بسیار ارزان‌تر هستند.

با وجود تمام این محدودیت ها، ToF هنوز بسیار قابل اعتماد و روشی بسیار سریع برای گرفتن اطلاعات سه بعدی است.

4. محدودیت های ToF

اگرچه ToF مزایای زیادی دارد، اما محدودیت هایی نیز دارد. برخی از محدودیت های ToF عبارتند از:

• نور پراکنده

اگر سطوح بسیار روشن بسیار نزدیک به سنسور ToF شما باشند، ممکن است نور بیش از حد را به گیرنده شما پراکنده کنند و مصنوعات و انعکاس های ناخواسته ایجاد کنند، زیرا حسگر ToF شما تنها پس از آماده شدن اندازه گیری نیاز به بازتاب نور دارد.

• بازتاب های متعدد

هنگام استفاده از حسگرهای ToF در گوشه ها و اشکال مقعر، آنها می توانند باعث بازتاب ناخواسته شوند، زیرا نور می تواند چندین بار منعکس شود و اندازه گیری را مخدوش کند.

• نور محیط

استفاده از دوربین ToF در فضای باز و زیر نور شدید خورشید می تواند استفاده در فضای باز را دشوار کند. این به دلیل شدت بالای نور خورشید است که باعث می شود پیکسل های حسگر به سرعت اشباع شوند و تشخیص نور واقعی منعکس شده از جسم را غیرممکن می کند.

• نتیجه گیری

سنسورهای ToF ولنز ToFمی تواند در برنامه های مختلف مورد استفاده قرار گیرد. از نقشه برداری سه بعدی، اتوماسیون صنعتی، تشخیص موانع، خودروهای خودران، کشاورزی، رباتیک، ناوبری داخلی، تشخیص ژست، اسکن اشیاء، اندازه گیری، نظارت تا واقعیت افزوده! کاربردهای فناوری ToF بی پایان هستند.

برای هر گونه نیاز به لنزهای ToF می توانید با ما تماس بگیرید.

تمرکز Chuang An Optoelectronics بر روی لنزهای نوری با کیفیت بالا برای ایجاد یک برند بصری عالی

Chuang An Optoelectronics در حال حاضر انواع مختلفی را تولید کرده استلنزهای TOFمانند:

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2 اینچ IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2 اینچ IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3 اینچ IR850nm

CH3652B f3.3mm F1.1 1/3 اینچ IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3 اینچ IR850nm

CH3653B f3.9mm F1.1 1/3 اینچ IR940nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3 اینچ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3 اینچ IR940nm