1. Qu'est-ce qu'un capteur de temps de vol (ToF) ?

Qu'est-ce qu'une caméra de temps de vol ? Est-ce la caméra qui capture le vol de l'avion ? Est-ce que cela a quelque chose à voir avec les avions ou les avions ? Eh bien, c'est en fait loin !

ToF est une mesure du temps nécessaire à un objet, une particule ou une onde pour parcourir une distance. Saviez-vous que le système sonar d'une chauve-souris fonctionne ? Le système de temps de vol est similaire !

Il existe de nombreux types de capteurs de temps de vol, mais la plupart sont des caméras à temps de vol et des scanners laser, qui utilisent une technologie appelée lidar (détection et télémétrie de la lumière) pour mesurer la profondeur de divers points d'une image en la faisant briller. avec lumière infrarouge.

Les données générées et capturées à l'aide des capteurs ToF sont très utiles car elles peuvent fournir la détection des piétons, l'authentification des utilisateurs basée sur les caractéristiques du visage, la cartographie de l'environnement à l'aide d'algorithmes SLAM (localisation et cartographie simultanées), et bien plus encore.

Ce système est en fait largement utilisé dans les robots, les voitures autonomes et même maintenant sur votre appareil mobile. Par exemple, si vous utilisez Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, etc., votre téléphone dispose d'une caméra ToF !

Une caméra ToF

2. Comment fonctionne le capteur de temps de vol ?

Nous aimerions maintenant donner une brève introduction de ce qu'est un capteur de temps de vol et de son fonctionnement.

ToFles capteurs utilisent de minuscules lasers pour émettre de la lumière infrarouge, où la lumière résultante rebondit sur n'importe quel objet et retourne au capteur. Sur la base de la différence de temps entre l'émission de lumière et le retour au capteur après avoir été réfléchi par l'objet, le capteur peut mesurer la distance entre l'objet et le capteur.

Aujourd'hui, nous allons explorer 2 façons dont ToF utilise le temps de trajet pour déterminer la distance et la profondeur : en utilisant des impulsions de synchronisation et en utilisant le déphasage des ondes modulées en amplitude.

Utiliser des impulsions chronométrées

Par exemple, il fonctionne en éclairant une cible avec un laser, puis en mesurant la lumière réfléchie avec un scanner, puis en utilisant la vitesse de la lumière pour extrapoler la distance de l'objet afin de calculer avec précision la distance parcourue. De plus, la différence entre le temps de retour du laser et la longueur d'onde est ensuite utilisée pour créer une représentation numérique 3D précise et les caractéristiques de la surface de la cible, et cartographier visuellement ses caractéristiques individuelles.

Comme vous pouvez le voir ci-dessus, la lumière laser est émise puis rebondit sur l'objet vers le capteur. Grâce au temps de retour laser, les caméras ToF sont capables de mesurer des distances précises sur une courte période de temps compte tenu de la vitesse de déplacement de la lumière. (ToF se convertit en distance) C'est la formule qu'un analyste utilise pour arriver à la distance exacte d'un objet :

(vitesse de la lumière x temps de vol) / 2

ToF se convertit en distance

Comme vous pouvez le voir, la minuterie démarre lorsque la lumière est éteinte, et lorsque le récepteur reçoit la lumière de retour, la minuterie renvoie l'heure. En soustrayant deux fois, le « temps de vol » de la lumière est obtenu et la vitesse de la lumière est constante, la distance peut donc être facilement calculée à l'aide de la formule ci-dessus. De cette façon, tous les points de la surface de l'objet peuvent être déterminés.

Utiliser le déphasage de l'onde AM

Ensuite, leToFpeut également utiliser des ondes continues pour détecter le déphasage de la lumière réfléchie afin de déterminer la profondeur et la distance.

Déphasage utilisant l'onde AM

En modulant l'amplitude, il crée une source de lumière sinusoïdale de fréquence connue, permettant au détecteur de déterminer le déphasage de la lumière réfléchie à l'aide de la formule suivante :

où c est la vitesse de la lumière (c = 3 × 10^8 m/s), λ est une longueur d'onde (λ = 15 m) et f est la fréquence, chaque point du capteur peut être facilement calculé en profondeur.

Toutes ces choses se produisent très vite lorsque nous travaillons à la vitesse de la lumière. Pouvez-vous imaginer la précision et la rapidité avec lesquelles les capteurs sont capables de mesurer ? Laissez-moi vous donner un exemple, la lumière se déplace à une vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, si un objet est à 5 m de vous, la différence de temps entre la lumière sortant de la caméra et son retour est d'environ 33 nanosecondes, ce qui n'équivaut qu'à 0,000000033 seconde ! Ouah! Sans oublier que les données capturées vous donneront une représentation numérique 3D précise pour chaque pixel de l'image.

Quel que soit le principe utilisé, fournir une source lumineuse qui éclaire toute la scène permet au capteur de déterminer la profondeur de tous les points. Un tel résultat vous donne une carte de distance où chaque pixel code la distance jusqu'au point correspondant de la scène. Voici un exemple de graphique de plage ToF :

Un exemple de graphique de plage ToF

Maintenant que nous savons que ToF fonctionne, pourquoi est-il bon ? Pourquoi l'utiliser ? A quoi servent-ils ? Ne vous inquiétez pas, l'utilisation d'un capteur ToF présente de nombreux avantages, mais il existe bien sûr certaines limites.

3. Les avantages de l’utilisation de capteurs de temps de vol

Mesure précise et rapide

Comparés à d’autres capteurs de distance tels que les ultrasons ou les lasers, les capteurs de temps de vol sont capables de composer très rapidement une image 3D d’une scène. Par exemple, une caméra ToF ne peut le faire qu'une seule fois. De plus, le capteur ToF est capable de détecter des objets avec précision en peu de temps et n'est pas affecté par l'humidité, la pression atmosphérique et la température, ce qui le rend adapté à une utilisation intérieure et extérieure.

longue distance

Étant donné que les capteurs ToF utilisent des lasers, ils sont également capables de mesurer de longues distances et portées avec une grande précision. Les capteurs ToF sont flexibles car ils sont capables de détecter des objets proches et lointains de toutes formes et tailles.

Il est également flexible dans le sens où vous pouvez personnaliser l'optique du système pour des performances optimales, où vous pouvez choisir les types d'émetteur et de récepteur et les objectifs pour obtenir le champ de vision souhaité.

Sécurité

Je craignais que le laser duToFLe capteur vous fera mal aux yeux ? Ne vous inquiétez pas! De nombreux capteurs ToF utilisent désormais un laser infrarouge de faible puissance comme source de lumière et le pilotent avec des impulsions modulées. Le capteur répond aux normes de sécurité laser de classe 1 pour garantir sa sécurité pour l'œil humain.

rentable

Comparés à d'autres technologies de numérisation de profondeur 3D telles que les systèmes de caméras à lumière structurée ou les télémètres laser, les capteurs ToF sont beaucoup moins chers qu'eux.

Malgré toutes ces limitations, ToF reste une méthode très fiable et très rapide pour capturer des informations 3D.

4. Limites du ToF

Bien que ToF présente de nombreux avantages, il présente également des limites. Certaines des limitations de ToF incluent :

• Lumière dispersée

Si des surfaces très lumineuses sont très proches de votre capteur ToF, elles peuvent disperser trop de lumière dans votre récepteur et créer des artefacts et des réflexions indésirables, puisque votre capteur ToF n'a besoin de réfléchir la lumière qu'une fois la mesure prête.

• Réflexions multiples

Lorsque vous utilisez des capteurs ToF sur des coins et des formes concaves, ils peuvent provoquer des réflexions indésirables, car la lumière peut rebondir plusieurs fois, faussant ainsi la mesure.

• Lumière ambiante

L’utilisation de la caméra ToF à l’extérieur en plein soleil peut rendre difficile son utilisation en extérieur. Cela est dû à la forte intensité de la lumière solaire qui sature rapidement les pixels du capteur, rendant impossible la détection de la lumière réelle réfléchie par l'objet.

• La conclusion

Capteurs ToF etLentille ToFpeut être utilisé dans une variété d’applications. De la cartographie 3D, de l'automatisation industrielle, de la détection d'obstacles, des voitures autonomes, de l'agriculture, de la robotique, de la navigation intérieure, de la reconnaissance gestuelle, de la numérisation d'objets, des mesures, de la surveillance et de la réalité augmentée ! Les applications de la technologie ToF sont infinies.

Vous pouvez nous contacter pour tout besoin de lentilles ToF.

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