1. מהו חיישן זמן טיסה (ToF)?

מהי מצלמת זמן טיסה? האם זו המצלמה שמצלמת את הטיסה של המטוס? האם זה קשור למטוסים או למטוסים? ובכן, זה באמת רחוק!

ToF הוא מדד לזמן שלוקח לאובייקט, חלקיק או גל לעבור מרחק. הידעתם שמערכת הסונאר של עטלף עובדת? מערכת זמן הטיסה דומה!

ישנם סוגים רבים של חיישני זמן טיסה, אך רובם הם מצלמות זמן טיסה וסורקי לייזר, המשתמשים בטכנולוגיה הנקראת לידר (זיהוי וטווח אור) כדי למדוד את העומק של נקודות שונות בתמונה על ידי הברקה שלה. עם אור אינפרא אדום.

נתונים המופקים ונלכדים באמצעות חיישני ToF שימושיים מאוד שכן הם יכולים לספק זיהוי הולכי רגל, אימות משתמשים על סמך תווי פנים, מיפוי סביבה באמצעות אלגוריתמים של SLAM (לוקליזציה ומיפוי בו זמנית) ועוד.

מערכת זו נמצאת למעשה בשימוש נרחב ברובוטים, במכוניות בנהיגה עצמית, ואפילו עכשיו במכשיר הנייד שלך. לדוגמה, אם אתה משתמש ב-Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ וכו', לטלפון שלך יש מצלמת ToF!

מצלמת ToF

2. כיצד פועל חיישן זמן הטיסה?

כעת, ברצוננו לתת הקדמה קצרה של מהו חיישן זמן טיסה וכיצד הוא פועל.

ToFחיישנים משתמשים בלייזרים זעירים כדי לפלוט אור אינפרא אדום, כאשר האור המתקבל קופץ מכל חפץ וחוזר לחיישן. בהתבסס על הפרש הזמן בין פליטת האור לבין החזרה לחיישן לאחר השתקפות האובייקט, החיישן יכול למדוד את המרחק בין האובייקט לחיישן.

היום, נחקור 2 דרכים כיצד ToF משתמש בזמן נסיעה כדי לקבוע מרחק ועומק: שימוש בפולסי תזמון, ושימוש בהסטת פאזה של גלים מאופנים משרעת.

השתמש בפולסים מתוזמנים

לדוגמה, היא פועלת על ידי הארת מטרה בלייזר, לאחר מכן מדידת האור המוחזר באמצעות סורק, ולאחר מכן שימוש במהירות האור כדי להוציא את המרחק של האובייקט כדי לחשב במדויק את המרחק שעבר. בנוסף, ההבדל בזמן החזרת הלייזר ובאורך הגל משמש לאחר מכן כדי ליצור ייצוג תלת מימדי דיגיטלי מדויק ותכונות פני השטח של המטרה, ולמפות חזותית את התכונות האישיות שלה.

כפי שניתן לראות לעיל, אור לייזר נורה החוצה ואז מקפיץ את האובייקט בחזרה לחיישן. עם זמן החזרת הלייזר, מצלמות ToF מסוגלות למדוד מרחקים מדויקים בפרק זמן קצר בהינתן מהירות נסיעת האור. (ToF ממיר למרחק) זוהי הנוסחה בה אנליסט משתמש כדי להגיע למרחק המדויק של אובייקט:

(מהירות האור x זמן הטיסה) / 2

ToF ממיר למרחק

כפי שניתן לראות, הטיימר יתחיל כשהאור כבוי, וכאשר המקלט יקבל את נורית ההחזרה, הטיימר יחזיר את השעה. כאשר מחסירים פעמיים, מתקבל "זמן הטיסה" של האור, ומהירות האור קבועה, כך שניתן לחשב מרחק בקלות באמצעות הנוסחה לעיל. בדרך זו ניתן לקבוע את כל הנקודות על פני האובייקט.

השתמש בשינוי הפאזה של גל AM

לאחר מכן, הToFיכול גם להשתמש בגלים מתמשכים כדי לזהות את הסטת הפאזה של האור המוחזר כדי לקבוע עומק ומרחק.

שינוי פאזה באמצעות גל AM

על ידי אפנון המשרעת, הוא יוצר מקור אור סינוסואידי עם תדר ידוע, המאפשר לגלאי לקבוע את הסטת הפאזה של האור המוחזר באמצעות הנוסחה הבאה:

כאשר c היא מהירות האור (c = 3 × 10^8 m/s), λ הוא אורך גל (λ = 15 m), ו-f היא התדר, ניתן לחשב בקלות כל נקודה בחיישן לעומק.

כל הדברים האלה קורים מהר מאוד כשאנחנו עובדים במהירות האור. האם אתה יכול לדמיין את הדיוק והמהירות שבה חיישנים מסוגלים למדוד? הרשו לי לתת דוגמה, האור נע במהירות של 300,000 ק"מ לשנייה, אם חפץ נמצא במרחק של 5 מ' מכם, הפרש הזמן בין האור שיוצא מהמצלמה וחוזר הוא כ-33 ננו-שניות, שזה שווה ערך רק ל-0.0000000033 שניות! וואו! שלא לדבר על, הנתונים שנלכדו יתנו לך ייצוג דיגיטלי תלת מימדי מדויק עבור כל פיקסל בתמונה.

ללא קשר לעיקרון בו נעשה שימוש, מתן מקור אור המאיר את הסצינה כולה מאפשר לחיישן לקבוע את העומק של כל הנקודות. תוצאה כזו מעניקה לכם מפת מרחק שבה כל פיקסל מקודד את המרחק לנקודה המתאימה בסצנה. להלן דוגמה של גרף טווח ToF:

דוגמה של גרף טווח ToF

עכשיו כשאנחנו יודעים ש-ToF עובד, למה זה טוב? למה להשתמש בו? בשביל מה הם טובים? אל דאגה, יש הרבה יתרונות לשימוש בחיישן ToF, אבל כמובן שיש כמה מגבלות.

3. היתרונות של שימוש בחיישני זמן טיסה

מדידה מדויקת ומהירה

בהשוואה לחיישני מרחק אחרים כמו אולטרסאונד או לייזרים, חיישני זמן טיסה מסוגלים ליצור תמונה תלת מימדית של סצנה במהירות רבה. לדוגמה, מצלמת ToF יכולה לעשות זאת פעם אחת בלבד. לא רק זה, חיישן ה-ToF מסוגל לזהות עצמים במדויק בזמן קצר ואינו מושפע מלחות, לחץ אוויר וטמפרטורה, מה שהופך אותו למתאים לשימוש פנימי וחיצוני כאחד.

למרחקים ארוכים

מכיוון שחיישני ToF משתמשים בלייזרים, הם מסוגלים גם למדוד מרחקים וטווחים ארוכים בדיוק גבוה. חיישני ToF גמישים מכיוון שהם מסוגלים לזהות עצמים קרובים ורחוקים מכל הצורות והגדלים.

היא גם גמישה במובן זה שאתה מסוגל להתאים אישית את האופטיקה של המערכת לביצועים אופטימליים, כאשר אתה יכול לבחור את סוגי המשדרים והמקלטים והעדשות כדי לקבל את שדה הראייה הרצוי.

בְּטִיחוּת

מודאג שהלייזר מהToFחיישן יפגע בעיניך? אל תדאג! חיישני ToF רבים משתמשים כעת בלייזר אינפרא אדום בעל הספק נמוך כמקור האור ומניעים אותו עם פולסים מאופננים. החיישן עומד בתקני בטיחות לייזר Class 1 כדי להבטיח שהוא בטוח לעין האנושית.

חסכוני

בהשוואה לטכנולוגיות אחרות של סריקה בטווחי עומק תלת מימדיים כגון מערכות מצלמות אור מובנות או מדדי טווח לייזר, חיישני ToF זולים בהרבה בהשוואה אליהם.

למרות כל המגבלות הללו, ToF עדיין אמינה מאוד ושיטה מהירה מאוד ללכידת מידע תלת מימד.

4. מגבלות של ToF

למרות של-ToF יש יתרונות רבים, יש לו גם מגבלות. חלק מהמגבלות של ToF כוללות:

• אור מפוזר

אם משטחים בהירים מאוד קרובים מאוד לחיישן ה-ToF שלך, הם עלולים לפזר יותר מדי אור לתוך המקלט שלך וליצור חפצים והשתקפויות לא רצויות, מכיוון שחיישן ה-ToF שלך צריך לשקף את האור רק ברגע שהמדידה מוכנה.

• השתקפויות מרובות

בעת שימוש בחיישני ToF על פינות וצורות קעורות, הם עלולים לגרום לשתקפויות לא רצויות, מכיוון שהאור יכול לקפוץ מספר פעמים, ולעוות את המדידה.

• אור סביבה

שימוש במצלמת ה-ToF בחוץ באור שמש בהיר יכול להקשות על השימוש בחוץ. הסיבה לכך היא העוצמה הגבוהה של אור השמש שגורמת לפיקסלים של החיישן להרוות במהירות, מה שהופך את זה לבלתי אפשרי לזהות את האור האמיתי המוחזר מהאובייקט.

• המסקנה

חיישני ToF ועדשת ToFיכול לשמש במגוון יישומים. ממיפוי תלת מימד, אוטומציה תעשייתית, זיהוי מכשולים, מכוניות בנהיגה עצמית, חקלאות, רובוטיקה, ניווט בתוך הבית, זיהוי מחוות, סריקת אובייקטים, מדידות, מעקבים ועד למציאות רבודה! היישומים של טכנולוגיית ToF הם אינסופיים.

ניתן לפנות אלינו לכל צורך של עדשות ToF.

Chuang An Optoelectronics מתמקדת בעדשות אופטיות בחדות גבוהה כדי ליצור מותג ויזואלי מושלם

Chuang An Optoelectronics ייצרה כעת מגוון שלעדשות TOFכְּגוֹן:

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2 אינץ' IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2 אינץ' IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3 אינץ' IR850nm

CH3652B f3.3mm F1.1 1/3 אינץ' IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3 אינץ' IR850nm

CH3653B f3.9mm F1.1 1/3 אינץ' IR940nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3 אינץ' IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3 אינץ' IR940nm