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

Cos'è una telecamera time-of-flight? È la telecamera che riprende il volo dell'aereo? Ha qualcosa a che fare con gli aerei o con il volo in generale? Beh, in realtà è un concetto piuttosto astratto!

Il ToF (Time-of-Flight) è una misura del tempo impiegato da un oggetto, una particella o un'onda per percorrere una determinata distanza. Sapevate che il sistema di ecolocalizzazione di un pipistrello funziona? Il sistema del tempo di volo è simile!

Esistono molti tipi di sensori time-of-flight, ma la maggior parte sono telecamere time-of-flight 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 dell'utente basata sui tratti del viso, la mappatura dell'ambiente utilizzando algoritmi SLAM (localizzazione e mappatura simultanea) e altro ancora.

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

Una telecamera ToF

2. Come funziona il sensore di tempo di volo?

Ora vorremmo fornire una breve introduzione su cosa sia un sensore time-of-flight e come funzioni.

ToFI sensori utilizzano minuscoli laser per emettere luce infrarossa, la quale rimbalza su qualsiasi oggetto e ritorna al sensore. In base alla differenza di tempo tra l'emissione della luce e il suo ritorno al sensore dopo essere stata riflessa dall'oggetto, il sensore è in grado di misurare la distanza tra l'oggetto e il sensore.

Oggi esploreremo due modi in cui la tecnologia ToF utilizza il tempo di propagazione per determinare distanza e profondità: tramite impulsi di temporizzazione e tramite lo sfasamento di onde modulate in ampiezza.

Utilizzare impulsi temporizzati

Ad esempio, il sistema funziona illuminando un bersaglio con un laser, 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 tra il tempo di ritorno del laser e la lunghezza d'onda viene utilizzata per creare una rappresentazione digitale 3D accurata e per mappare visivamente le caratteristiche superficiali del bersaglio, evidenziandone le singole peculiarità.

Come potete vedere sopra, la luce laser viene emessa e rimbalza sull'oggetto tornando al sensore. Grazie al tempo di ritorno del laser, le telecamere ToF sono in grado di misurare distanze precise in un breve lasso di tempo, data la velocità della luce. (ToF sta per distanza) Questa è la formula che un analista utilizza 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 quando la luce è spenta e, quando il ricevitore riceve la luce di ritorno, il timer restituisce il tempo. Sottraendo due volte, si ottiene il "tempo di volo" della luce, e poiché la velocità della luce è costante, la distanza può essere facilmente calcolata utilizzando la formula sopra riportata. In questo modo, è possibile determinare tutti i punti sulla superficie dell'oggetto.

Utilizzare lo sfasamento dell'onda AM

Successivamente, ilToFÈ possibile utilizzare anche onde continue per rilevare lo sfasamento della luce riflessa al fine di determinare profondità e distanza.

Sfasamento tramite AMwave

Modulando l'ampiezza, si crea una sorgente luminosa sinusoidale con una frequenza nota, consentendo al rivelatore 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.

Tutte queste cose accadono molto velocemente perché lavoriamo alla velocità della luce. Riuscite a immaginare la precisione e la velocità con cui i sensori sono in grado di misurare? Per esempio, la luce viaggia a 300.000 chilometri al secondo; se un oggetto si trova a 5 metri di distanza, la differenza di tempo tra il momento in cui la luce esce dalla telecamera e quello in cui ritorna è di circa 33 nanosecondi, che equivalgono a soli 0,000000033 secondi! Incredibile! Senza contare che i dati acquisiti forniranno un'accurata rappresentazione digitale 3D per ogni singolo 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. Tale 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 di distanza ToF:

Esempio di grafico della portata ToF

Ora che sappiamo che la tecnologia ToF funziona, perché è utile? Perché usarla? A cosa serve? Non preoccupatevi, l'utilizzo di un sensore ToF offre molti vantaggi, ma ovviamente presenta anche alcune limitazioni.

3. I vantaggi dell'utilizzo dei sensori time-of-flight

Misurazione accurata e veloce

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

lunga distanza

Poiché i sensori ToF utilizzano i laser, sono in grado di misurare lunghe distanze e intervalli con elevata precisione. I sensori ToF sono versatili perché possono rilevare oggetti vicini e lontani di qualsiasi forma e dimensione.

È inoltre 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? Niente paura! 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, garantendo la sicurezza per l'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 tecnologia ToF rimane un metodo molto affidabile e veloce per acquisire informazioni 3D.

4. Limitazioni del ToF

Sebbene la Teoria del Volo (ToF) offra molti vantaggi, presenta anche delle limitazioni. Alcune delle limitazioni della ToF includono:

• Luce diffusa

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

• Riflessi multipli

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

• Luce ambientale

L'utilizzo della telecamera ToF all'aperto in piena luce solare può risultare problematico. Ciò è dovuto all'elevata intensità della luce solare che provoca una rapida saturazione dei pixel del sensore, rendendo impossibile rilevare la luce effettivamente riflessa dall'oggetto.

• Il miglioramento

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

Per qualsiasi esigenza relativa agli obiettivi ToF, non esitate a contattarci.

Chuang An Optoelectronics si concentra su lenti ottiche ad alta definizione per creare un marchio visivo perfetto

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

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

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