1. Que é un sensor de tempo de voo (ToF)?

Que é unha cámara de tempo de voo? É a cámara que capta o voo do avión? Ten algo que ver con avións ou con avións? Pois ben, en realidade está moi lonxe!

A ToF é unha medida do tempo que tarda un obxecto, partícula ou onda en percorrer unha distancia. Sabías que funciona o sistema de sonar dun morcego? O sistema de tempo de voo é semellante!

Existen moitos tipos de sensores de tempo de voo, pero a maioría son cámaras de tempo de voo e escáneres láser, que empregan unha tecnoloxía chamada lidar (detección e medición de distancias por luz) para medir a profundidade de varios puntos dunha imaxe ao facerlle brillar con luz infravermella.

Os datos xerados e capturados mediante sensores ToF son moi útiles, xa que poden proporcionar detección de peóns, autenticación de usuarios baseada en trazos faciais, mapeo do entorno mediante algoritmos SLAM (localización e mapeo simultáneos) e moito máis.

Este sistema úsase amplamente en robots, coches autónomos e mesmo agora no teu dispositivo móbil. Por exemplo, se usas un Huawei P30 Pro, un Oppo RX17 Pro, un LG G8 ThinQ, etc., o teu teléfono ten unha cámara ToF!

Unha cámara ToF

2. Como funciona o sensor de tempo de voo?

Agora, gustaríanos dar unha breve introdución sobre o que é un sensor de tempo de voo e como funciona.

ToFOs sensores empregan láseres diminutos para emitir luz infravermella, onde a luz resultante rebota en calquera obxecto e regresa ao sensor. En función da diferenza de tempo entre a emisión da luz e o regreso ao sensor despois de ser reflectida polo obxecto, o sensor pode medir a distancia entre o obxecto e o sensor.

Hoxe, exploraremos dúas maneiras nas que a ToF usa o tempo de percorrido para determinar a distancia e a profundidade: usando pulsos de temporización e usando desprazamento de fase de ondas moduladas en amplitude.

Usar pulsos temporizados

Por exemplo, funciona iluminando un obxectivo cun láser, medindo a luz reflectida cun escáner e, a continuación, usando a velocidade da luz para extrapolar a distancia do obxecto para calcular con precisión a distancia percorrida. Ademais, a diferenza no tempo de retorno do láser e a lonxitude de onda utilízase para facer unha representación dixital 3D precisa e as características da superficie do obxectivo, e mapear visualmente as súas características individuais.

Como podes ver arriba, a luz láser emítese e logo rebota no obxecto de volta ao sensor. Co tempo de retorno do láser, as cámaras ToF poden medir distancias precisas nun curto período de tempo dada a velocidade da luz. (ToF convértese en distancia) Esta é a fórmula que usa un analista para chegar á distancia exacta dun obxecto:

(velocidade da luz x tempo de voo) / 2

Convértese a distancia a ToF

Como podes ver, o temporizador iniciarase coa luz apagada e, cando o receptor reciba a luz de retorno, o temporizador devolverá o tempo. Ao restar dúas veces, obtense o "tempo de voo" da luz e a velocidade da luz é constante, polo que a distancia pódese calcular facilmente usando a fórmula anterior. Deste xeito, pódense determinar todos os puntos da superficie do obxecto.

Usa o cambio de fase da onda AM

A continuación, oToFtamén pode usar ondas continuas para detectar o cambio de fase da luz reflectida para determinar a profundidade e a distancia.

Cambio de fase usando onda AM

Ao modular a amplitude, créase unha fonte de luz sinusoidal cunha frecuencia coñecida, o que permite ao detector determinar o cambio de fase da luz reflectida usando a seguinte fórmula:

onde c é a velocidade da luz (c = 3 × 10^8 m/s), λ é unha lonxitude de onda (λ = 15 m) e f é a frecuencia, cada punto do sensor pódese calcular facilmente en profundidade.

Todas estas cousas ocorren moi rápido mentres traballamos á velocidade da luz. Podes imaxinar a precisión e a velocidade coa que os sensores son capaces de medir? Déixame darche un exemplo: a luz viaxa a unha velocidade de 300.000 quilómetros por segundo; se un obxecto está a 5 m de distancia, a diferenza de tempo entre a luz que sae da cámara e que regresa é duns 33 nanosegundos, o que só equivale a 0,000000033 segundos! Vaites! Sen esquecer que os datos capturados che darán unha representación dixital 3D precisa de cada píxel da imaxe.

Independentemente do principio empregado, proporcionar unha fonte de luz que ilumine toda a escena permite que o sensor determine a profundidade de todos os puntos. Este resultado ofréceche un mapa de distancias onde cada píxel codifica a distancia ao punto correspondente da escena. O seguinte é un exemplo dun gráfico de rango ToF:

Un exemplo dun gráfico de rango ToF

Agora que sabemos que o ToF funciona, por que é bo? Para que usalo? Para que serven? Non te preocupes, hai moitas vantaxes en usar un sensor ToF, pero por suposto hai algunhas limitacións.

3. As vantaxes de empregar sensores de tempo de voo

Medición precisa e rápida

En comparación con outros sensores de distancia como os ultrasóns ou os láseres, os sensores de tempo de voo son capaces de compor unha imaxe 3D dunha escena moi rapidamente. Por exemplo, unha cámara ToF só pode facelo unha vez. Non só iso, senón que o sensor ToF é capaz de detectar obxectos con precisión nun curto período de tempo e non se ve afectado pola humidade, a presión do aire nin a temperatura, o que o fai axeitado tanto para uso en interiores como en exteriores.

longa distancia

Dado que os sensores ToF empregan láseres, tamén son capaces de medir longas distancias e alcances con alta precisión. Os sensores ToF son flexibles porque poden detectar obxectos próximos e afastados de todas as formas e tamaños.

Tamén é flexible no sentido de que podes personalizar a óptica do sistema para un rendemento óptimo, onde podes escoller os tipos de transmisor e receptor e as lentes para obter o campo de visión desexado.

Seguridade

Preocupado de que o láser doToFO sensor prexudicará os teus ollos? Non te preocupes! Moitos sensores ToF empregan agora un láser infravermello de baixa potencia como fonte de luz e o impulsan con pulsos modulados. O sensor cumpre cos estándares de seguridade láser de Clase 1 para garantir que sexa seguro para o ollo humano.

rendible

En comparación con outras tecnoloxías de dixitalización de rango de profundidade 3D, como os sistemas de cámaras de luz estruturada ou os telémetros láser, os sensores ToF son moito máis baratos en comparación con eles.

A pesar de todas estas limitacións, o ToF segue a ser moi fiable e un método moi rápido para capturar información 3D.

4. Limitacións da ToF

Aínda que a ToF ten moitas vantaxes, tamén ten limitacións. Algunhas das limitacións da ToF inclúen:

• Luz dispersa

Se as superficies moi brillantes están moi preto do sensor ToF, poden dispersar demasiada luz no receptor e crear artefactos e reflexións non desexadas, xa que o sensor ToF só necesita reflectir a luz unha vez que a medición estea lista.

• Reflexións múltiples

Ao usar sensores ToF en esquinas e formas cóncavas, poden causar reflexións non desexadas, xa que a luz pode rebotar varias veces, distorsionando a medición.

• Luz ambiental

Empregar a cámara ToF no exterior con luz solar intensa pode dificultar o seu uso. Isto débese á alta intensidade da luz solar, que provoca que os píxeles do sensor se saturen rapidamente, o que fai imposible detectar a luz real reflectida polo obxecto.

• A conclusión

Sensores ToF eLente ToFpódese empregar nunha variedade de aplicacións. Desde mapeo 3D, automatización industrial, detección de obstáculos, coches autónomos, agricultura, robótica, navegación en interiores, recoñecemento de xestos, dixitalización de obxectos, medicións, vixilancia ata realidade aumentada! As aplicacións da tecnoloxía ToF son infinitas.

Podes contactar connosco para calquera necesidade de lentes ToF.

Chuang An Optoelectronics céntrase en lentes ópticas de alta definición para crear unha marca visual perfecta

Chuang An Optoelectronics xa produciu unha variedade deLentes TOFcomo por exemplo:

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