1. Wat is een time-of-flight (ToF) sensor?

Wat is een time-of-flight camera? Is het de camera die de vlucht van het vliegtuig vastlegt? Heeft het iets met vliegtuigen te maken? Nou, eigenlijk helemaal niet!

ToF (Time-of-Flight) is een maat voor de tijd die een object, deeltje of golf nodig heeft om een ​​bepaalde afstand af te leggen. Wist je dat het sonarsysteem van een vleermuis werkt? Het time-of-flight-systeem is vergelijkbaar!

Er bestaan ​​veel soorten time-of-flight-sensoren, maar de meeste zijn time-of-flight-camera's en laserscanners. Deze gebruiken een technologie genaamd lidar (light detection and ranging) om de diepte van verschillende punten in een afbeelding te meten door er infrarood licht op te schijnen.

De gegevens die met ToF-sensoren worden gegenereerd en vastgelegd, zijn zeer nuttig omdat ze gebruikt kunnen worden voor voetgangersdetectie, gebruikersauthenticatie op basis van gezichtskenmerken, omgevingsmapping met behulp van SLAM-algoritmen (simultane lokalisatie en mapping) en meer.

Dit systeem wordt tegenwoordig veel gebruikt in robots, zelfrijdende auto's en zelfs in je mobiele telefoon. Als je bijvoorbeeld een Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, enzovoort gebruikt, heeft je telefoon een ToF-camera!

Een ToF-camera

2. Hoe werkt de tijdsmetingssensor?

Laten we nu kort uitleggen wat een time-of-flight-sensor is en hoe deze werkt.

ToFSensoren gebruiken kleine lasers om infrarood licht uit te zenden. Het resulterende licht weerkaatst door een object en keert terug naar de sensor. Op basis van het tijdsverschil tussen de emissie van het licht en de terugkeer naar de sensor na weerkaatsing, kan de sensor de afstand tussen het object en de sensor meten.

Vandaag onderzoeken we twee manieren waarop ToF de reistijd gebruikt om afstand en diepte te bepalen: door middel van timingpulsen en door faseverschuiving van amplitude-gemoduleerde golven.

Gebruik getimede pulsen

Het werkt bijvoorbeeld door een object met een laser te belichten, vervolgens het gereflecteerde licht met een scanner te meten en daarna de lichtsnelheid te gebruiken om de afstand tot het object te extrapoleren en zo de afgelegde afstand nauwkeurig te berekenen. Daarnaast wordt het verschil in laserretourtijd en golflengte gebruikt om een ​​nauwkeurige digitale 3D-weergave en oppervlaktekenmerken van het object te maken en de individuele kenmerken ervan visueel in kaart te brengen.

Zoals je hierboven kunt zien, wordt laserlicht uitgezonden en kaatst het terug van het object naar de sensor. Dankzij de terugkaatsingstijd van de laser kunnen ToF-camera's nauwkeurige afstanden meten in een korte tijd, rekening houdend met de lichtsnelheid. (ToF staat voor afstandsmeting.) Dit is de formule die een analist gebruikt om de exacte afstand tot een object te bepalen:

(lichtsnelheid x vluchttijd) / 2

ToF wordt omgezet in afstand.

Zoals je ziet, start de timer terwijl het licht uit is. Wanneer de ontvanger het terugkerende licht ontvangt, geeft de timer de tijd terug. Door tweemaal af te trekken, verkrijg je de "vluchttijd" van het licht. Omdat de lichtsnelheid constant is, kan de afstand eenvoudig worden berekend met behulp van de bovenstaande formule. Op deze manier kunnen alle punten op het oppervlak van het object worden bepaald.

Gebruik de faseverschuiving van de AM-golf.

Vervolgens, deToFContinue golven kunnen ook worden gebruikt om de faseverschuiving van het gereflecteerde licht te detecteren en zo de diepte en afstand te bepalen.

Faseverschuiving met behulp van een AM-golf

Door de amplitude te moduleren, wordt een sinusvormige lichtbron met een bekende frequentie gecreëerd, waardoor de detector de faseverschuiving van het gereflecteerde licht kan bepalen met behulp van de volgende formule:

waarbij c de lichtsnelheid is (c = 3 × 10^8 m/s), λ de golflengte (λ = 15 m) en f de frequentie, kan elk punt op de sensor eenvoudig in de diepte worden berekend.

Al deze dingen gebeuren razendsnel, omdat we met de snelheid van het licht werken. Kun je je de precisie en snelheid voorstellen waarmee sensoren kunnen meten? Laat ik een voorbeeld geven: licht reist met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde. Als een object zich op 5 meter afstand bevindt, is het tijdsverschil tussen het moment dat het licht de camera verlaat en het moment dat het terugkeert ongeveer 33 nanoseconden, oftewel slechts 0,000000033 seconden! Ongelooflijk! En dan hebben we het nog niet eens over het feit dat de vastgelegde gegevens een nauwkeurige 3D digitale weergave van elke pixel in de afbeelding opleveren.

Ongeacht het gebruikte principe, zorgt een lichtbron die de hele scène verlicht ervoor dat de sensor de diepte van alle punten kan bepalen. Dit levert een afstandskaart op waarbij elke pixel de afstand tot het corresponderende punt in de scène weergeeft. Hieronder volgt een voorbeeld van een ToF-afstandsgrafiek:

Een voorbeeld van een ToF-bereikgrafiek

Nu we weten dat ToF werkt, waarom is het dan zo goed? Waarom zouden we het gebruiken? Waar zijn ze goed voor? Geen zorgen, er zijn veel voordelen aan het gebruik van een ToF-sensor, maar er zijn natuurlijk ook enkele beperkingen.

3. De voordelen van het gebruik van time-of-flight-sensoren

Nauwkeurige en snelle meting

In vergelijking met andere afstandssensoren zoals ultrasoon- of lasersensoren, kunnen time-of-flight-sensoren zeer snel een 3D-beeld van een scène samenstellen. Een ToF-camera kan dit bijvoorbeeld in één keer doen. Bovendien kan de ToF-sensor objecten nauwkeurig en in korte tijd detecteren en is hij ongevoelig voor luchtvochtigheid, luchtdruk en temperatuur, waardoor hij geschikt is voor zowel binnen- als buitengebruik.

lange afstand

Omdat ToF-sensoren lasers gebruiken, kunnen ze ook grote afstanden en bereiken met hoge nauwkeurigheid meten. ToF-sensoren zijn flexibel omdat ze objecten van alle vormen en maten, zowel dichtbij als veraf, kunnen detecteren.

Het is ook flexibel in die zin dat je de optiek van het systeem kunt aanpassen voor optimale prestaties, waarbij je de zender- en ontvangertypes en lenzen kunt kiezen om het gewenste gezichtsveld te verkrijgen.

Veiligheid

Bezorgd dat de laser van deToFIs de sensor schadelijk voor je ogen? Geen zorgen! Veel ToF-sensoren gebruiken tegenwoordig een infraroodlaser met laag vermogen als lichtbron en sturen deze aan met gemoduleerde pulsen. De sensor voldoet aan de laserveiligheidsnormen van klasse 1, waardoor hij veilig is voor het menselijk oog.

kosteneffectief

Vergeleken met andere 3D-dieptescantechnologieën, zoals gestructureerde lichtcamerasystemen of laser-afstandmeters, zijn ToF-sensoren veel goedkoper.

Ondanks al deze beperkingen is ToF nog steeds een zeer betrouwbare en snelle methode om 3D-informatie vast te leggen.

4. Beperkingen van ToF

Hoewel ToF veel voordelen heeft, kent het ook beperkingen. Enkele beperkingen van ToF zijn:

• Verstrooid licht

Als zeer heldere oppervlakken zich dicht bij uw ToF-sensor bevinden, kunnen ze te veel licht in uw ontvanger verstrooien en artefacten en ongewenste reflecties veroorzaken, aangezien uw ToF-sensor het licht pas hoeft te reflecteren wanneer de meting gereed is.

• Meerdere reflecties

Bij gebruik van ToF-sensoren op hoeken en concave vormen kunnen ongewenste reflecties optreden, omdat het licht meerdere keren kan weerkaatsen en de meting kan vertekenen.

• Omgevingslicht

Het gebruik van de ToF-camera buitenshuis in fel zonlicht kan lastig zijn. Dit komt doordat de hoge intensiteit van het zonlicht ervoor zorgt dat de sensorpixels snel verzadigd raken, waardoor het onmogelijk wordt om het daadwerkelijke licht te detecteren dat door het object wordt weerkaatst.

• De conclusie

ToF-sensoren enToF-lensHet kan in uiteenlopende toepassingen worden gebruikt. Van 3D-mapping, industriële automatisering, obstakeldetectie, zelfrijdende auto's, landbouw, robotica, indoor navigatie, gebarenherkenning, objectscanning, metingen en bewaking tot augmented reality! De toepassingen van ToF-technologie zijn eindeloos.

Voor al uw vragen over ToF-lenzen kunt u contact met ons opnemen.

Chuang An Optoelectronics is gespecialiseerd in hoogwaardige optische lenzen om een ​​perfect visueel merk te creëren.

Chuang An Optoelectronics heeft nu een verscheidenheid aan producten geproduceerd.TOF-lenzenzoals:

CH3651A f3,6 mm F1,2 1/2 ″ IR850nm

CH3651B f3,6 mm F1,2 1/2 ″ IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3652B f3,3 mm 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

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm