1. מהו חיישן זמן טיסה (ToF)?

מהי מצלמת זמן טיסה? האם זו המצלמה שמתעדת את טיסת המטוס? האם יש לזה קשר למטוסים או למטוסים? ובכן, זה בעצם רחוק מאוד!

ToF הוא מדד לזמן שלוקח לעצם, חלקיק או גל לעבור מרחק מסוים. האם ידעתם שמערכת הסונאר של עטלף עובדת? מערכת זמן הטיסה דומה!

ישנם סוגים רבים של חיישני זמן טיסה, אך רובם מצלמות זמן טיסה וסורקי לייזר, המשתמשים בטכנולוגיה הנקראת לידאר (זיהוי וטווחי אור) כדי למדוד את העומק של נקודות שונות בתמונה על ידי הארה עליה באור אינפרא אדום.

נתונים שנוצרים ונלכדים באמצעות חיישני ToF שימושיים מאוד מכיוון שהם יכולים לספק זיהוי הולכי רגל, אימות משתמשים המבוסס על תווי פנים, מיפוי סביבתי באמצעות אלגוריתמי SLAM (לוקליזציה ומיפוי סימולטניים) ועוד.

מערכת זו נמצאת בשימוש נרחב ברובוטים, מכוניות אוטונומיות, ואפילו עכשיו במכשירים ניידים. לדוגמה, אם אתם משתמשים ב-Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ וכו', לטלפון שלכם יש מצלמת ToF!

מצלמת ToF

2. כיצד פועל חיישן זמן הטיסה?

כעת, נרצה לתת הקדמה קצרה על מהו חיישן זמן טיסה וכיצד הוא פועל.

תאריך תפוגהחיישנים משתמשים בלייזרים זעירים כדי לפלוט אור אינפרא אדום, שבו האור שנוצר מוחזר מכל עצם וחוזר לחיישן. בהתבסס על הפרש הזמן בין פליטת האור לחזרתו לחיישן לאחר שהוחזר על ידי העצם, החיישן יכול למדוד את המרחק בין העצם לחיישן.

היום, נחקור שתי דרכים בהן ToF משתמש בזמן נסיעה כדי לקבוע מרחק ועומק: באמצעות פולסי תזמון, ושימוש בהסטת פאזה של גלים בעלי אפנון אמפליטודה.

השתמש בפולסים מתוזמנים

לדוגמה, זה עובד על ידי הארת מטרה באמצעות לייזר, מדידת האור המוחזר באמצעות סורק, ושימוש במהירות האור כדי לחשב את מרחק האובייקט ולחשב במדויק את המרחק שעבר. בנוסף, ההבדל בזמן החזרה של הלייזר ואורך הגל משמש לאחר מכן ליצירת ייצוג תלת-ממדי דיגיטלי מדויק ומאפייני פני השטח של המטרה, ולמפות חזותית את המאפיינים האינדיבידואליים שלה.

כפי שניתן לראות למעלה, אור לייזר נשלח החוצה ומוחזר מהאובייקט חזרה לחיישן. עם זמן החזרה של הלייזר, מצלמות ToF מסוגלות למדוד מרחקים מדויקים בפרק זמן קצר בהינתן מהירות האור. (ToF מומר למרחק). זוהי הנוסחה בה משתמש אנליסט כדי להגיע למרחק המדויק של אובייקט:

(מהירות האור כפול זמן הטיסה) / 2

ToF ממיר למרחק

כפי שניתן לראות, הטיימר יופעל כאשר האור כבוי, וכאשר המקלט מקבל את אור ההחזרה, הטיימר יחזיר את הזמן. כאשר מחסרים פעמיים, מתקבל "זמן הטיסה" של האור, ומהירות האור קבועה, כך שניתן לחשב בקלות את המרחק באמצעות הנוסחה לעיל. בדרך זו, ניתן לקבוע את כל הנקודות על פני השטח של האובייקט.

השתמש בהסטת הפאזה של גל AM

לאחר מכן, ה-תאריך תפוגהיכול גם להשתמש בגלים רציפים כדי לזהות את הסטת הפאזה של האור המוחזר כדי לקבוע עומק ומרחק.

הזזת פאזה באמצעות גל AM

על ידי ויסות האמפליטודה, הוא יוצר מקור אור סינוסואידלי עם תדר ידוע, המאפשר לגלאי לקבוע את הסטת הפאזה של האור המוחזר באמצעות הנוסחה הבאה:

כאשר c היא מהירות האור (c = 3 × 10^8 מטר/שנייה), λ הוא אורך גל (λ = 15 מטר), ו-f הוא התדירות, ניתן לחשב בקלות כל נקודה על החיישן לעומק.

כל הדברים האלה קורים מהר מאוד כשאנחנו עובדים במהירות האור. האם אתם יכולים לדמיין את הדיוק והמהירות שבהם חיישנים מסוגלים למדוד? הרשו לי לתת דוגמה, אור נע במהירות של 300,000 קילומטרים לשנייה, אם עצם נמצא במרחק של 5 מטר מכם, הפרש הזמן בין עזיבת האור מהמצלמה להחזרה הוא כ-33 ננו-שניות, שזה שווה ערך ל-0.000000033 שניות בלבד! וואו! שלא לדבר על כך, הנתונים שנלכדו יתנו לכם ייצוג דיגיטלי תלת-ממדי מדויק עבור כל פיקסל בתמונה.

ללא קשר לעיקרון בו נעשה שימוש, אספקת מקור אור המאיר את כל הסצנה מאפשרת לחיישן לקבוע את העומק של כל הנקודות. תוצאה כזו נותנת לך מפת מרחק שבה כל פיקסל מקודד את המרחק לנקודה המתאימה בסצנה. להלן דוגמה לגרף טווח ToF:

דוגמה לגרף טווח ToF

עכשיו כשאנחנו יודעים ש-ToF עובד, למה זה טוב? למה להשתמש בו? בשביל מה הם טובים? אל דאגה, ישנם יתרונות רבים 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-ממדית של סצנה במהירות רבה. לדוגמה, מצלמת ToF יכולה לעשות זאת פעם אחת בלבד. יתרה מזאת, 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 ארוכים וטווחים בדיוק גבוה. חיישני ToF גמישים משום שהם מסוגלים לזהות עצמים קרובים ורחוקים מכל הצורות והגדלים.

זה גם גמיש במובן שניתן להתאים אישית את האופטיקה של המערכת לקבלת ביצועים אופטימליים, כאשר ניתן לבחור את סוגי המשדר והמקלט והעדשות כדי לקבל את שדה הראייה הרצוי.

בְּטִיחוּת

מודאג שהלייזר מה-תאריך תפוגההאם החיישן יפגע בעיניים שלך? אל דאגה! חיישני ToF רבים משתמשים כיום בלייזר אינפרא אדום בעל הספק נמוך כמקור אור ומפעילים אותו באמצעות פולסים מווסתים. החיישן עומד בתקני בטיחות לייזר Class 1 כדי להבטיח שהוא בטוח לעין האנושית.

חסכוני

בהשוואה לטכנולוגיות סריקת טווח עומק תלת-ממדיות אחרות, כגון מערכות מצלמות אור מובנות או מדי טווח לייזר, חיישני ToF זולים בהרבה בהשוואה אליהן.

למרות כל המגבלות הללו, ToF עדיין אמין מאוד ושיטה מהירה מאוד ללכידת מידע תלת-ממדי.

4. מגבלות 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 ארטיפקטים והשתקפויות לא רצויות, מכיוון שחיישן ה-ToF שלך צריך להחזיר את האור רק לאחר שהמדידה מוכנה.

• השתקפויות מרובות

בעת שימוש בחיישני ToF בפינות וצורות קעורות, הם עלולים לגרום להשתקפויות לא רצויות, מכיוון שהאור יכול לחזור מספר פעמים ולעוות את המדידה.

• אור סביבתי

שימוש במצלמת ToF בחוץ באור שמש בהיר יכול להקשות על השימוש בחוץ. הסיבה לכך היא עוצמת אור השמש הגבוהה הגורמת לפיקסלים של החיישן להרוות במהירות, מה שמקשה על זיהוי האור המוחזר בפועל מהאובייקט.

• המסקנה

חיישני ToF ועדשת ToFניתן להשתמש בו במגוון יישומים. החל ממיפוי תלת-ממדי, אוטומציה תעשייתית, זיהוי מכשולים, מכוניות אוטונומיות, חקלאות, רובוטיקה, ניווט פנים, זיהוי מחוות, סריקת עצמים, מדידות, מעקב ועד מציאות רבודה! היישומים של טכנולוגיית ToF הם אינסופיים.

ניתן ליצור איתנו קשר לכל צורך של עדשות ToF.

חברת צ'ואנג אן אופטואלקטרוניקה מתמקדת בעדשות אופטיות ברזולוציה גבוהה כדי ליצור מותג ויזואלי מושלם.

חברת צ'ואנג אן אופטואלקטרוניקה 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