1. Apa itu sensor waktu tempuh (ToF)?

Apa itu kamera time-of-flight? Apakah itu kamera yang merekam penerbangan pesawat? Apakah ada hubungannya dengan pesawat terbang? Sebenarnya, itu masih jauh dari kenyataan!

ToF (Time-of-Flight) adalah ukuran waktu yang dibutuhkan suatu objek, partikel, atau gelombang untuk menempuh jarak tertentu. Tahukah Anda bahwa sistem sonar kelelawar bekerja? Sistem waktu tempuh (time-of-flight) serupa!

Ada banyak jenis sensor waktu tempuh, tetapi sebagian besar adalah kamera waktu tempuh dan pemindai laser, yang menggunakan teknologi yang disebut lidar (deteksi dan penentuan jarak cahaya) untuk mengukur kedalaman berbagai titik dalam gambar dengan menyinarinya dengan cahaya inframerah.

Data yang dihasilkan dan ditangkap menggunakan sensor ToF sangat berguna karena dapat menyediakan deteksi pejalan kaki, otentikasi pengguna berdasarkan fitur wajah, pemetaan lingkungan menggunakan algoritma SLAM (simultaneous localization and mapping), dan banyak lagi.

Sistem ini sebenarnya banyak digunakan pada robot, mobil otonom, dan bahkan sekarang pada perangkat seluler Anda. Misalnya, jika Anda menggunakan Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, dll., ponsel Anda memiliki kamera ToF!

Kamera ToF

2. Bagaimana cara kerja sensor waktu tempuh (time-of-flight sensor)?

Sekarang, kami ingin memberikan pengantar singkat tentang apa itu sensor waktu tempuh dan bagaimana cara kerjanya.

ToFSensor menggunakan laser kecil untuk memancarkan cahaya inframerah, di mana cahaya yang dihasilkan memantul dari objek apa pun dan kembali ke sensor. Berdasarkan perbedaan waktu antara pemancaran cahaya dan kembalinya cahaya ke sensor setelah dipantulkan oleh objek, sensor dapat mengukur jarak antara objek dan sensor.

Hari ini, kita akan mengeksplorasi 2 cara bagaimana ToF menggunakan waktu tempuh untuk menentukan jarak dan kedalaman: menggunakan pulsa pewaktu, dan menggunakan pergeseran fase gelombang termodulasi amplitudo.

Gunakan pulsa berjangka waktu

Sebagai contoh, cara kerjanya adalah dengan menyinari target menggunakan laser, kemudian mengukur cahaya yang dipantulkan dengan pemindai, dan selanjutnya menggunakan kecepatan cahaya untuk mengekstrapolasi jarak objek guna menghitung jarak tempuh secara tepat. Selain itu, perbedaan waktu pantulan laser dan panjang gelombang kemudian digunakan untuk membuat representasi 3D digital yang akurat dan fitur permukaan target, serta memetakan fitur-fitur individualnya secara visual.

Seperti yang Anda lihat di atas, cahaya laser dipancarkan dan kemudian memantul dari objek kembali ke sensor. Dengan waktu pantulan laser, kamera ToF mampu mengukur jarak yang akurat dalam waktu singkat mengingat kecepatan cahaya. (ToF dikonversi ke jarak) Ini adalah rumus yang digunakan analis untuk mendapatkan jarak pasti suatu objek:

(kecepatan cahaya x waktu tempuh) / 2

ToF mengkonversi ke jarak

Seperti yang Anda lihat, penghitung waktu akan mulai berjalan saat lampu mati, dan ketika penerima menerima cahaya pantulan, penghitung waktu akan mengembalikan waktu. Dengan mengurangi dua kali, diperoleh "waktu tempuh" cahaya, dan kecepatan cahaya konstan, sehingga jarak dapat dengan mudah dihitung menggunakan rumus di atas. Dengan cara ini, semua titik pada permukaan objek dapat ditentukan.

Gunakan pergeseran fasa gelombang AM.

Selanjutnya,ToFjuga dapat menggunakan gelombang kontinu untuk mendeteksi pergeseran fase cahaya yang dipantulkan untuk menentukan kedalaman dan jarak.

Pergeseran fasa menggunakan gelombang AM

Dengan memodulasi amplitudo, alat ini menciptakan sumber cahaya sinusoidal dengan frekuensi yang diketahui, sehingga memungkinkan detektor untuk menentukan pergeseran fasa cahaya yang dipantulkan menggunakan rumus berikut:

dengan rumus c adalah kecepatan cahaya (c = 3 × 10^8 m/s), λ adalah panjang gelombang (λ = 15 m), dan f adalah frekuensi, sehingga setiap titik pada sensor dapat dengan mudah dihitung kedalamannya.

Semua hal ini terjadi sangat cepat karena kita bekerja dengan kecepatan cahaya. Dapatkah Anda membayangkan ketelitian dan kecepatan pengukuran yang mampu dilakukan oleh sensor? Izinkan saya memberi contoh, cahaya bergerak dengan kecepatan 300.000 kilometer per detik, jika sebuah objek berjarak 5 meter dari Anda, perbedaan waktu antara cahaya yang meninggalkan kamera dan kembali adalah sekitar 33 nanodetik, yang hanya setara dengan 0,000000033 detik! Luar biasa! Belum lagi, data yang ditangkap akan memberi Anda representasi digital 3D yang akurat untuk setiap piksel dalam gambar.

Terlepas dari prinsip yang digunakan, menyediakan sumber cahaya yang menerangi seluruh adegan memungkinkan sensor untuk menentukan kedalaman semua titik. Hasil seperti itu memberi Anda peta jarak di mana setiap piksel mengkodekan jarak ke titik yang sesuai dalam adegan. Berikut adalah contoh grafik jangkauan ToF:

Contoh grafik rentang ToF

Sekarang kita tahu bahwa ToF berfungsi, mengapa ini bagus? Mengapa menggunakannya? Untuk apa saja keunggulannya? Jangan khawatir, ada banyak keuntungan menggunakan sensor ToF, tetapi tentu saja ada beberapa keterbatasan.

3. Manfaat penggunaan sensor waktu tempuh

Pengukuran akurat dan cepat

Dibandingkan dengan sensor jarak lainnya seperti ultrasonik atau laser, sensor waktu tempuh (time-of-flight/ToF) mampu menyusun gambar 3D suatu adegan dengan sangat cepat. Misalnya, kamera ToF dapat melakukan ini hanya sekali. Tidak hanya itu, sensor ToF mampu mendeteksi objek secara akurat dalam waktu singkat dan tidak terpengaruh oleh kelembapan, tekanan udara, dan suhu, sehingga cocok untuk penggunaan di dalam maupun di luar ruangan.

interlokal

Karena sensor ToF menggunakan laser, sensor ini juga mampu mengukur jarak dan jangkauan yang jauh dengan akurasi tinggi. Sensor ToF fleksibel karena mampu mendeteksi objek dekat dan jauh dengan berbagai bentuk dan ukuran.

Sistem ini juga fleksibel karena Anda dapat menyesuaikan optik sistem untuk kinerja optimal, di mana Anda dapat memilih jenis pemancar dan penerima serta lensa untuk mendapatkan bidang pandang yang diinginkan.

Keamanan

Khawatir bahwa laser dariToFApakah sensor ToF akan merusak mata Anda? Jangan khawatir! Banyak sensor ToF sekarang menggunakan laser inframerah berdaya rendah sebagai sumber cahaya dan menggerakkannya dengan pulsa termodulasi. Sensor ini memenuhi standar keamanan laser Kelas 1 untuk memastikan aman bagi mata manusia.

hemat biaya

Dibandingkan dengan teknologi pemindaian rentang kedalaman 3D lainnya seperti sistem kamera cahaya terstruktur atau pengukur jarak laser, sensor ToF jauh lebih murah dibandingkan dengan teknologi tersebut.

Terlepas dari semua keterbatasan ini, ToF tetap sangat andal dan merupakan metode yang sangat cepat untuk menangkap informasi 3D.

4. Keterbatasan ToF

Meskipun ToF memiliki banyak manfaat, ia juga memiliki keterbatasan. Beberapa keterbatasan ToF meliputi:

• Cahaya tersebar

Jika permukaan yang sangat terang berada sangat dekat dengan sensor ToF Anda, permukaan tersebut dapat menyebarkan terlalu banyak cahaya ke penerima dan menciptakan artefak serta pantulan yang tidak diinginkan, karena sensor ToF Anda hanya perlu memantulkan cahaya setelah pengukuran siap.

• Refleksi ganda

Saat menggunakan sensor ToF di sudut dan bentuk cekung, hal ini dapat menyebabkan pantulan yang tidak diinginkan, karena cahaya dapat memantul beberapa kali, sehingga mendistorsi pengukuran.

• Cahaya sekitar

Penggunaan kamera ToF di luar ruangan di bawah sinar matahari yang terik dapat menyulitkan. Hal ini disebabkan oleh intensitas sinar matahari yang tinggi yang menyebabkan piksel sensor cepat jenuh, sehingga tidak mungkin mendeteksi cahaya sebenarnya yang dipantulkan dari objek.

• Kesimpulan

Sensor ToF danLensa ToFDapat digunakan dalam berbagai aplikasi. Mulai dari Pemetaan 3D, Otomasi Industri, Deteksi Rintangan, Mobil Otonom, Pertanian, Robotika, Navigasi Dalam Ruangan, Pengenalan Gerakan, Pemindaian Objek, Pengukuran, Pengawasan hingga Realitas Tertambah! Aplikasi teknologi ToF tidak terbatas.

Anda dapat menghubungi kami untuk segala kebutuhan lensa ToF.

Chuang An Optoelectronics berfokus pada lensa optik definisi tinggi untuk menciptakan merek visual yang sempurna.

Chuang An Optoelectronics kini telah memproduksi berbagai macam produk.Lensa TOFseperti:

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