1. Time-of-Flight (ToF) センサーとは何ですか?

飛行時間カメラって何ですか？飛行機の飛行を撮影するカメラのことですか？飛行機や航空機と何か関係があるんですか？いや、実はちょっと遠い話なんです！

ToFは、物体、粒子、または波が一定距離を移動するのにかかる時間を測定するものです。コウモリのソナーシステムが機能していることをご存知ですか？飛行時間型システムも同様です！

飛行時間型センサーには多くの種類がありますが、ほとんどは飛行時間型カメラとレーザー スキャナーであり、ライダー (光検出と測距) と呼ばれる技術を使用して、赤外線を照射して画像内のさまざまなポイントの深さを測定します。

ToF センサーを使用して生成およびキャプチャされたデータは、歩行者の検出、顔の特徴に基づくユーザー認証、SLAM (同時位置推定およびマッピング) アルゴリズムを使用した環境マッピングなどを提供できるため、非常に便利です。

このシステムは、ロボット、自動運転車、そして今ではモバイルデバイスにも広く利用されています。例えば、Huawei P30 Pro、Oppo RX17 Pro、LG G8 ThinQなどをお使いの場合、ToFカメラが搭載されています。

ToFカメラ

2.飛行時間型センサーはどのように機能しますか?

ここで、飛行時間型センサーとは何か、そしてそれがどのように動作するのかを簡単に紹介したいと思います。

距離センサーは微小なレーザーを用いて赤外線を放射し、その光が物体に反射してセンサーに戻ります。放射された光と物体に反射してセンサーに戻るまでの時間差に基づいて、センサーは物体とセンサー間の距離を測定します。

今日は、ToF が移動時間を使用して距離と深度を決定する 2 つの方法 (タイミング パルスの使用と振幅変調波の位相シフトの使用) について説明します。

タイミングパルスを使用する

例えば、対象物にレーザーを照射し、その反射光をスキャナーで測定し、光速から物体までの距離を推定することで、移動距離を正確に算出します。さらに、レーザーの反射時間と波長の差を利用して、対象物の正確なデジタル3D表現と表面特徴を作成し、個々の特徴を視覚的にマッピングします。

上の図からわかるように、レーザー光は発射され、物体に反射してセンサーに戻ります。ToFカメラは、レーザーの反射時間を利用して、光速を考慮すれば、短時間で正確な距離を測定することができます。（ToFは距離に変換されます。）これは、分析者が物体の正確な距離を算出するために使用する式です。

（光速×飛行時間）/ 2

ToFは距離に変換します

ご覧の通り、光が消灯している間はタイマーがスタートし、受信機が戻り光を受信するとタイマーが時間を返します。これを2回引くと光の「飛行時間」が得られ、光速は一定なので、上記の式を用いて距離を簡単に計算できます。このようにして、物体の表面上のすべての点を特定できます。

AM波の位相シフトを利用する

次に、距離連続波を使用して反射光の位相シフトを検出し、深さと距離を測定することもできます。

AM波を用いた位相シフト

振幅を変調することで、既知の周波数を持つ正弦波光源が生成され、検出器は次の式を使用して反射光の位相シフトを決定できるようになります。

ここで、c は光速 (c = 3 × 10^8 m/s)、λ は波長 (λ = 15 m)、f は周波数であり、センサー上の各ポイントの深さは簡単に計算できます。

私たちは光の速度で動いているため、これらすべてが非常に高速に起こります。センサーがどれほどの精度と速度で測定できるか想像できますか？例えば、光は秒速30万キロメートルで移動します。物体があなたから5メートル離れている場合、光がカメラから出て戻ってくるまでの時間差は約33ナノ秒、つまりわずか0.000000033秒です！すごい！言うまでもなく、撮影されたデータは、画像のすべてのピクセルの正確な3Dデジタル表現を提供します。

どのような原理を用いるにせよ、シーン全体を照らす光源を用意することで、センサーはすべての点の深度を測定できます。その結果、各ピクセルがシーン内の対応する点までの距離をエンコードした距離マップが得られます。以下はToF距離グラフの例です。

ToF範囲グラフの例

ToFが機能することは分かりましたが、なぜ良いのでしょうか？なぜ使うのでしょうか？何に使えるのでしょうか？ご安心ください。ToFセンサーには多くの利点がありますが、もちろん制限もいくつかあります。

3. 飛行時間型センサーを使用する利点

正確で迅速な測定

超音波やレーザーなどの他の距離センサーと比較して、飛行時間型センサーは、非常に高速にシーンの3D画像を構築できます。例えば、ToFカメラはこれを一度だけ実行できます。さらに、ToFセンサーは短時間で正確に物体を検出でき、湿度、気圧、温度の影響を受けないため、屋内外での使用に適しています。

長距離

ToFセンサーはレーザーを使用しているため、長距離・遠距離を高精度に測定できます。ToFセンサーは、あらゆる形状・サイズの物体を近距離から遠距離まで検出できるため、柔軟性に優れています。

また、システムの光学系をカスタマイズして最適なパフォーマンスを実現できるという点でも柔軟性があり、送信機と受信機のタイプ、レンズを選択して必要な視野を得ることができます。

安全性

レーザーが距離センサーで目が痛くなる？ご心配なく！多くのToFセンサーは、低出力の赤外線レーザーを光源として使い、変調パルスで駆動しています。このセンサーはクラス1のレーザー安全基準を満たしており、人間の目に安全です。

費用対効果が高い

構造化光カメラ システムやレーザー距離計などの他の 3D 深度範囲スキャン テクノロジと比較すると、ToF センサーははるかに安価です。

これらすべての制限にもかかわらず、ToF は依然として非常に信頼性が高く、3D 情報をキャプチャする非常に高速な方法です。

4. ToFの限界

ToFには多くの利点がありますが、限界もあります。ToFの限界には以下のようなものがあります。

• 散乱光

非常に明るい表面が ToF センサーのすぐ近くにある場合、ToF センサーは測定の準備ができた時点で光を反射するだけでよいため、受信機に過剰な光が散乱し、アーティファクトや不要な反射が生じる可能性があります。

• 多重反射

ToF センサーを角や凹面の形状で使用すると、光が複数回反射して不要な反射が発生し、測定結果が歪む可能性があります。

• 周囲光

ToFカメラを屋外で使用する場合、直射日光下での使用は困難になる可能性があります。これは、太陽光の強度が高いためセンサーのピクセルが急速に飽和し、物体から反射された光を正確に検出できなくなるためです。

• 結論

ToFセンサーとToFレンズ様々な用途に活用できます。3Dマッピング、産業オートメーション、障害物検知、自動運転車、農業、ロボット工学、屋内ナビゲーション、ジェスチャー認識、物体スキャン、計測、監視、拡張現実など、ToFテクノロジーの応用範囲は無限です。

ToF レンズに関するご要望がございましたら、お気軽にお問い合わせください。

創安オプトエレクトロニクスは、完璧なビジュアルブランドを作成するために高解像度の光学レンズに焦点を当てています

創安オプトエレクトロニクスは現在、さまざまなTOFレンズのような：

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2″ IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2インチ IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3インチ IR850nm

CH3652B f3.3mm F1.1 1/3インチ IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3インチ IR850nm

CH3653B f3.9mm F1.1 1/3インチ IR940nm

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