1. Che cos'è un sensore del tempo di volo (ToF)?

Cos'è una telecamera per il rilevamento del tempo di volo? È la telecamera che cattura il volo dell'aereo? Ha a che fare con gli aerei o con gli aerei stessi? Beh, in realtà è molto lontana!

Il ToF è una misura del tempo impiegato da un oggetto, una particella o un'onda per percorrere una certa distanza. Sapevi che il sistema sonar dei pipistrelli funziona? Il sistema del tempo di volo è simile!

Esistono molti tipi di sensori a tempo di volo, ma la maggior parte sono telecamere a tempo di volo e scanner laser, che utilizzano una tecnologia chiamata lidar (light detection and ranging) per misurare la profondità di vari punti in un'immagine illuminandola con luce infrarossa.

I dati generati e acquisiti tramite sensori ToF sono molto utili in quanto possono fornire il rilevamento dei pedoni, l'autenticazione degli utenti in base alle caratteristiche facciali, la mappatura dell'ambiente tramite algoritmi SLAM (localizzazione e mappatura simultanee) e molto altro.

Questo sistema è ampiamente utilizzato nei robot, nelle auto a guida autonoma e, ormai, anche nei dispositivi mobili. Ad esempio, se utilizzi Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, ecc., il tuo telefono ha una fotocamera ToF!

Una fotocamera ToF

2. Come funziona il sensore del tempo di volo?

Ora vorremmo fornire una breve introduzione su cosa sia un sensore del tempo di volo e come funzioni.

ToFI sensori utilizzano minuscoli laser per emettere luce infrarossa, la cui luce viene riflessa da qualsiasi oggetto e ritorna al sensore. In base alla differenza di tempo tra l'emissione della luce e il ritorno al sensore dopo essere stata riflessa dall'oggetto, il sensore può misurare la distanza tra l'oggetto e il sensore.

Oggi esploreremo due modi in cui ToF utilizza il tempo di percorrenza per determinare distanza e profondità: utilizzando impulsi di temporizzazione e utilizzando lo sfasamento delle onde modulate in ampiezza.

Utilizzare impulsi temporizzati

Ad esempio, funziona illuminando un bersaglio con un laser, quindi misurando la luce riflessa con uno scanner e utilizzando la velocità della luce per estrapolare la distanza dell'oggetto e calcolare con precisione la distanza percorsa. Inoltre, la differenza nel tempo di ritorno del laser e nella lunghezza d'onda viene quindi utilizzata per creare una rappresentazione digitale 3D accurata e le caratteristiche superficiali del bersaglio, mappandone visivamente le singole caratteristiche.

Come potete vedere sopra, la luce laser viene emessa e poi rimbalza dall'oggetto verso il sensore. Grazie al tempo di ritorno del laser, le telecamere ToF sono in grado di misurare distanze accurate in un breve intervallo di tempo, data la velocità della luce. (ToF si converte in distanza). Questa è la formula che un analista usa per calcolare la distanza esatta di un oggetto:

(velocità della luce x tempo di volo) / 2

ToF si converte in distanza

Come potete vedere, il timer si avvia a luce spenta e, quando il ricevitore riceve la luce di ritorno, il timer restituisce l'ora esatta. Sottraendo due volte, si ottiene il "tempo di volo" della luce e la velocità della luce è costante, quindi la distanza può essere facilmente calcolata utilizzando la formula sopra. In questo modo, è possibile determinare tutti i punti sulla superficie dell'oggetto.

Utilizzare lo sfasamento dell'onda AM

Successivamente, ilToFpuò anche utilizzare onde continue per rilevare lo sfasamento della luce riflessa per determinare profondità e distanza.

Spostamento di fase utilizzando l'onda AM

Modulando l'ampiezza, si crea una sorgente luminosa sinusoidale con una frequenza nota, consentendo al rilevatore di determinare lo sfasamento della luce riflessa utilizzando la seguente formula:

dove c è la velocità della luce (c = 3 × 10^8 m/s), λ è una lunghezza d'onda (λ = 15 m) e f è la frequenza, ogni punto sul sensore può essere facilmente calcolato in profondità.

Tutto questo accade molto velocemente, dato che lavoriamo alla velocità della luce. Riuscite a immaginare la precisione e la rapidità con cui i sensori sono in grado di misurare? Fate un esempio: la luce viaggia a una velocità di 300.000 chilometri al secondo; se un oggetto si trova a 5 metri di distanza, la differenza di tempo tra l'uscita della luce dalla fotocamera e il suo ritorno è di circa 33 nanosecondi, equivalenti a soli 0,000000033 secondi! Wow! Per non parlare del fatto che i dati acquisiti vi forniranno una rappresentazione digitale 3D accurata per ogni pixel dell'immagine.

Indipendentemente dal principio utilizzato, fornire una sorgente luminosa che illumini l'intera scena consente al sensore di determinare la profondità di tutti i punti. Questo risultato fornisce una mappa delle distanze in cui ogni pixel codifica la distanza dal punto corrispondente nella scena. Di seguito è riportato un esempio di grafico della distanza ToF:

Un esempio di grafico dell'intervallo ToF

Ora che sappiamo che il ToF funziona, perché è utile? Perché usarlo? A cosa serve? Non preoccupatevi, ci sono molti vantaggi nell'utilizzare un sensore ToF, ma ovviamente ci sono anche alcune limitazioni.

3. I vantaggi dell'utilizzo dei sensori del tempo di volo

Misurazione precisa e veloce

Rispetto ad altri sensori di distanza come ultrasuoni o laser, i sensori ToF sono in grado di comporre un'immagine 3D di una scena molto rapidamente. Ad esempio, una telecamera ToF può farlo una sola volta. Non solo, il sensore ToF è in grado di rilevare gli oggetti con precisione in breve tempo e non è influenzato da umidità, pressione atmosferica e temperatura, il che lo rende adatto sia all'uso interno che esterno.

lunga distanza

Poiché i sensori ToF utilizzano laser, sono anche in grado di misurare lunghe distanze e distanze con elevata precisione. I sensori ToF sono flessibili perché sono in grado di rilevare oggetti vicini e lontani di tutte le forme e dimensioni.

È anche flessibile nel senso che è possibile personalizzare l'ottica del sistema per ottenere prestazioni ottimali, scegliendo i tipi di trasmettitore e ricevitore e le lenti per ottenere il campo visivo desiderato.

Sicurezza

Preoccupato che il laser delToFIl sensore può danneggiare gli occhi? Non preoccuparti! Molti sensori ToF ora utilizzano un laser a infrarossi a bassa potenza come sorgente luminosa e lo pilotano con impulsi modulati. Il sensore soddisfa gli standard di sicurezza laser di Classe 1 per garantire la sicurezza dell'occhio umano.

conveniente

Rispetto ad altre tecnologie di scansione della profondità 3D, come i sistemi di telecamere a luce strutturata o i telemetri laser, i sensori ToF sono molto più economici.

Nonostante tutte queste limitazioni, la ToF è ancora molto affidabile e rappresenta un metodo molto veloce per acquisire informazioni 3D.

4. Limitazioni del ToF

Sebbene la ToF offra numerosi vantaggi, presenta anche dei limiti. Tra questi:

• luce diffusa

Se superfici molto luminose sono molto vicine al sensore ToF, potrebbero diffondere troppa luce nel ricevitore e creare artefatti e riflessi indesiderati, poiché il sensore ToF deve riflettere la luce solo quando la misurazione è pronta.

• Riflessioni multiple

Quando si utilizzano sensori ToF su angoli e forme concave, possono verificarsi riflessi indesiderati, poiché la luce può rimbalzare più volte, distorcendo la misurazione.

• Luce ambientale

L'utilizzo della fotocamera ToF all'aperto, in piena luce solare, può rendere difficoltoso l'uso in esterni. Ciò è dovuto all'elevata intensità della luce solare che causa la rapida saturazione dei pixel del sensore, rendendo impossibile rilevare la luce effettiva riflessa dall'oggetto.

• La conclusione

Sensori ToF eObiettivo ToFPuò essere utilizzato in una varietà di applicazioni. Dalla mappatura 3D, all'automazione industriale, al rilevamento degli ostacoli, alle auto a guida autonoma, all'agricoltura, alla robotica, alla navigazione indoor, al riconoscimento dei gesti, alla scansione di oggetti, alle misurazioni, alla sorveglianza fino alla realtà aumentata! Le applicazioni della tecnologia ToF sono infinite.

Per qualsiasi esigenza relativa agli obiettivi ToF potete contattarci.

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Chuang An Optoelectronics ha ora prodotto una varietà diLenti TOFad esempio:

CH3651A f3,6mm F1,2 1/2″ IR850nm

CH3651B f3,6mm F1,2 1/2″ IR940nm

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CH3652B f3,3mm F1,1 1/3″ IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3653B f3,9mm F1,1 1/3″ IR940nm

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