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

Cos'è una fotocamera del tempo di volo? È la fotocamera che cattura il volo dell'aereo? Ha qualcosa a che fare con aerei o aerei? Bene, in realtà è molto lontano!

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

Esistono molti tipi di sensori del tempo di volo, ma la maggior parte sono telecamere tempo di volo e scanner laser, che utilizzano una tecnologia chiamata Lidar (rilevamento della luce e range) per misurare la profondità di vari punti in un'immagine brillandola con luce a infrarossi.

I dati generati e catturati utilizzando i sensori TOF sono molto utili in quanto possono fornire il rilevamento dei pedoni, l'autenticazione dell'utente in base alle funzionalità facciali, mappatura ambientale utilizzando gli algoritmi SLAM (localizzazione e mappatura simultanei) e altro ancora.

Questo sistema è in realtà ampiamente utilizzato in robot, auto a guida autonoma e anche ora nel tuo dispositivo mobile. Ad esempio, se si utilizza 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 dare una breve introduzione a cosa sia un sensore del tempo di volo e di come funziona.

TofI sensori usano piccoli laser per emettere luce a infrarossi, in cui la luce risultante rimbalza su qualsiasi oggetto e ritorna al sensore. Sulla base della differenza di tempo tra l'emissione della luce e il ritorno al sensore dopo essere stato riflesso dall'oggetto, il sensore può misurare la distanza tra l'oggetto e il sensore.

Oggi esploreremo 2 modi in cui TOF usa il tempo di viaggio per determinare la distanza e la profondità: utilizzando gli impulsi di temporizzazione e usando lo spostamento di fase delle onde modulate dall'ampiezza.

Usa impulsi a tempo

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

Come puoi vedere sopra, Laser Light viene sparato e poi rimbalza l'oggetto al sensore. Con il tempo di ritorno laser, le telecamere TOF sono in grado di misurare distanze accurate in un breve periodo di tempo dato la velocità di viaggio di luce. (TOF si converte in distanza) Questa è la formula che un analista usa per arrivare alla distanza esatta di un oggetto:

(velocità di luce x tempo di volo) / 2

TOF si converte in distanza

Come puoi vedere, il timer inizierà mentre la luce è spenta e quando il ricevitore riceve la luce di ritorno, il timer restituirà il tempo. Quando si sottrae due volte, si ottiene il "tempo del volo" della luce e la velocità di luce è costante, quindi la distanza può essere facilmente calcolata usando la formula sopra. In questo modo, tutti i punti sulla superficie dell'oggetto possono essere determinati.

Usa lo sfasamento dell'onda AM

Successivamente, ilTofPuò anche usare onde continue per rilevare lo sfasamento della luce riflessa per determinare la profondità e la distanza.

Shipace di fase usando l'onda AM

Modulando l'ampiezza, crea una sorgente di luce sinusoidale con una frequenza nota, consentendo al rivelatore di determinare lo spostamento di fase della luce riflessa usando 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.

Tutte queste cose accadono molto velocemente mentre lavoriamo alla velocità della luce. Riesci a immaginare la precisione e la velocità con quali sensori sono in grado di misurare? Vorrei fare un esempio, la luce viaggia a una velocità di 300.000 chilometri al secondo, se un oggetto è a 5 m da te, la differenza di tempo tra la luce che lascia la fotocamera e il ritorno è di circa 33 nanosecondi, che equivale a solo 0,000000033 secondi! Oh! Per non parlare del fatto che i dati acquisiti ti forniranno una rappresentazione digitale 3D accurata per ogni pixel nell'immagine.

Indipendentemente dal principio utilizzato, fornire una fonte di luce che illumina l'intera scena consente al sensore di determinare la profondità di tutti i punti. Tale risultato ti dà una mappa a distanza in cui ogni pixel codifica la distanza dal punto corrispondente nella scena. Quello che segue è un esempio di un grafico a gamma TOF:

Un esempio di un grafico della gamma TOF

Ora che sappiamo che TOF funziona, perché va bene? Perché usarlo? Per cosa sono buoni? Non preoccuparti, ci sono molti vantaggi nell'uso di un sensore TOF, ma ovviamente ci sono alcune limitazioni.

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

Misurazione accurata e veloce

Rispetto ad altri sensori di distanza come ultrasuoni o laser, i sensori del tempo di volo sono in grado di comporre un'immagine 3D di una scena molto rapidamente. Ad esempio, una fotocamera TOF può farlo solo una volta. Non solo, il sensore TOF è in grado di rilevare accuratamente gli oggetti in breve tempo e non è influenzato da umidità, pressione dell'aria e temperatura, rendendolo adatto sia per uso interno che esterno.

lunga distanza

Poiché i sensori TOF usano i laser, sono anche in grado di misurare lunghe distanze e gamme con alta 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 si è in grado di personalizzare l'ottica del sistema per prestazioni ottimali, in cui è possibile scegliere i tipi di trasmettitore e ricevitore e lenti per ottenere il campo visivo desiderato.

Sicurezza

Preoccupato che il laser dalTofIl sensore ti farà male agli occhi? Non preoccuparti! Molti sensori TOF ora usano un laser a infrarossi a bassa potenza come sorgente luminosa e lo guidano con impulsi modulati. Il sensore soddisfa gli standard di sicurezza laser di classe 1 per garantire che sia sicuro per l'occhio umano.

economico

Rispetto ad altre tecnologie di scansione della gamma di profondità 3D come i sistemi di telecamere a luce strutturata o le gamma laser, i sensori TOF sono molto più economici rispetto a loro.

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

4. Limitazioni di TOF

Sebbene TOF abbia molti vantaggi, ha anche limitazioni. Alcuni dei limiti di TOF includono:

• Luce sparsa

Se le superfici molto luminose sono molto vicine al tuo sensore TOF, possono disperdere troppa luce nel ricevitore e creare artefatti e riflessi indesiderati, poiché il sensore TOF deve solo riflettere la luce una volta che la misurazione è pronta.

• Riflessioni multiple

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

• Luce ambientale

L'uso della fotocamera TOF all'aperto alla luce del sole può rendere difficile l'uso esterno. Ciò è dovuto all'elevata intensità della luce solare causando rapidamente saturi i pixel del sensore, rendendo impossibile rilevare la luce effettiva riflessa dall'oggetto.

• La conclusione

Sensori TOF eLente tofpuò essere utilizzato in una varietà di applicazioni. Dalla mappatura 3D, automazione industriale, rilevamento degli ostacoli, auto a guida autonoma, agricoltura, robotica, navigazione interna, riconoscimento dei gesti, scansione degli oggetti, misurazioni, sorveglianza alla realtà aumentata! Le applicazioni della tecnologia TOF sono infinite.

Puoi contattarci per qualsiasi esigenza delle lenti TOF.

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Chuang an Optoelectronics ha ora prodotto una varietà diLenti tofad esempio:

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CH3651B F3.6MM F1.2 1/2 ″ IR940NM

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