1. 飛行時間型 (ToF) センサーとは何ですか?

飛行時間型カメラとは何ですか?飛行機の飛行を捉えたカメラでしょうか？それは飛行機や飛行機と何か関係がありますか？まあ、実際には遠いです！

ToF は、物体、粒子、または波が距離を移動するのにかかる時間を測定します。コウモリのソナーシステムが機能することをご存知ですか？飛行時間システムも同様です。

飛行時間型センサーにはさまざまな種類がありますが、ほとんどは飛行時間型カメラとレーザースキャナーです。これらは、ライダー (光検出および測距) と呼ばれる技術を使用して、光を当てて画像内のさまざまな点の深さを測定します。赤外線を使って。

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 (同時位置特定とマッピング) 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、非常に役立ちます。

このシステムは実際にロボット、自動運転車、そして現在でもモバイルデバイスで広く使用されています。たとえば、Huawei P30 Pro、Oppo RX17 Pro、LG G8 ThinQ などを使用している場合、携帯電話には 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、Time-of-Flight センサーとは何か、そしてそれがどのように機能するかを簡単に紹介したいと思います。

ToFセンサーは小さなレーザーを使用して赤外線を放射し、その結果生じた光は物体で反射してセンサーに戻ります。センサーは、光を発してから物体に反射してセンサーに戻ってくるまでの時間差に基づいて、物体とセンサーとの距離を測定できます。

今日は、ToF が移動時間を使用して距離と深さを決定する 2 つの方法、つまりタイミングパルスを使用する方法と、振幅変調波の位相シフトを使用する方法を検討します。

タイミングパルスを使用する

たとえば、レーザーでターゲットを照射し、その反射光をスキャナーで測定し、光の速度を使用してオブジェクトの距離を推定し、移動距離を正確に計算します。さらに、レーザーの戻り時間と波長の違いを利用して、ターゲットの正確なデジタル 3D 表現と表面の特徴を作成し、個々の特徴を視覚的にマッピングします。

上で見られるように、レーザー光が発射され、物体に反射してセンサーに戻ります。レーザーの戻り時間により、ToF カメラは光の移動速度を考慮して短時間で正確な距離を測定できます。 (ToF は距離に変換されます) これは、アナリストが物体の正確な距離を求めるために使用する式です。

(光の速度 x 飛行時間) / 2

ToF は距離に変換されます

ご覧のとおり消灯中に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刻を返します。 2回引くと光の「飛行時間」が求まり、光の速度は一定なので、上の式で簡単に距離を求めることができます。このようにして、オブジェクトの表面上のすべての点を決定できます。

AM波の位相シフトを利用する

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

AM波を利用した位相シフト

振幅を変調することにより、既知の周波数を持つ正弦波光源が作成され、検出器が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 は光の速度 (c = 3 × 10^8 m/s)、λ は波長 (λ = 15 m)、f は周波数であり、センサー上の各点の深さは簡単に計算できます。

私たちは光の速度で作業しているため、これらすべてのことが非常に速く起こります。センサーが測定できる精度と速度を想像できますか?例を挙げましょう。光は秒速 300,000 キロメートルの速度で進み、物体が 5 メートル離れている場合、光がカメラを出てから戻ってくるまでの時間差は約 33 ナノ秒で、これは 0.000000033 秒に相当します。おお！言うまでもなく、キャプチャされたデータにより、画像内のすべてのピクセルが正確な 3D デジタル表現で表現されます。

使用される原理に関係なく、シーン全体を照らす光源を提供すると、センサーがすべてのポイントの深さを決定できるようになります。このような結果により、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 範囲グラフの例です。

ToF範囲グラフの例

ToF が機能することはわかりましたが、なぜそれが優れているのでしょうか?なぜそれを使うのでしょうか？それらは何に役立つのでしょうか？心配しないでください。ToF センサーの使用には多くの利点がありますが、もちろんいくつかの制限もあります。

3. 飛行時間型センサーを使用する利点

正確かつ迅速な測定

超音波やレーザーなどの他の距離センサーと比較して、飛行時間センサーはシーンの 3D 画像を非常に迅速に構成できます。たとえば、ToF カメラはこれを 1 回だけ実行できます。それだけでなく、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、屋内と屋外の両方での使用に適しています。