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 of vliegtuigen te maken? Nou, het is eigenlijk nog een heel eind weg!

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

Er zijn veel soorten time-of-flight-sensoren, maar de meeste zijn time-of-flight-camera's en laserscanners, die gebruik maken van een technologie genaamd lidar (lichtdetectie en bereik) om de diepte van verschillende punten in een beeld te meten door erop te schijnen. met infrarood licht.

Gegevens die worden gegenereerd en vastgelegd met behulp van ToF-sensoren zijn erg nuttig omdat ze voetgangersdetectie, gebruikersauthenticatie op basis van gezichtskenmerken, omgevingskartering met behulp van SLAM-algoritmen (simultaneous localization and mapping) en meer kunnen bieden.

Dit systeem wordt daadwerkelijk veel gebruikt in robots, zelfrijdende auto’s en zelfs nu nog je mobiele apparaat. Als u bijvoorbeeld Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, etc. gebruikt, heeft uw telefoon een ToF-camera!

Een ToF-camera

2. Hoe werkt de time-of-flight-sensor?

Nu willen we een korte introductie geven van wat een time-of-flight-sensor is en hoe deze werkt.

ToFsensoren gebruiken kleine lasers om infrarood licht uit te zenden, waarbij het resulterende licht van elk object weerkaatst en terugkeert naar de sensor. Op basis van het tijdsverschil tussen de emissie van licht en de terugkeer naar de sensor nadat het door het object is gereflecteerd, kan de sensor de afstand tussen het object en de sensor meten.

Vandaag zullen we twee manieren onderzoeken waarop ToF reistijd gebruikt om afstand en diepte te bepalen: met behulp van tijdpulsen en met behulp van faseverschuiving van amplitudegemoduleerde golven.

Gebruik getimede pulsen

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

Zoals je hierboven kunt zien, wordt laserlicht afgevuurd en vervolgens via het object teruggekaatst naar de sensor. Met de laserretourtijd kunnen ToF-camera's in korte tijd nauwkeurige afstanden meten, gegeven de snelheid van het licht. (ToF wordt omgezet in afstand) Dit is de formule die een analist gebruikt om de exacte afstand van een object te bepalen:

(lichtsnelheid x vliegtijd) / 2

ToF converteert naar afstand

Zoals u kunt zien, start de timer terwijl het licht uit is, en wanneer de ontvanger het retourlicht ontvangt, geeft de timer de tijd terug. Als je dit tweemaal aftrekt, wordt de ‘vluchttijd’ van het licht verkregen en is de lichtsnelheid constant, dus de afstand kan 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 deToFkan ook continue golven gebruiken om de faseverschuiving van het gereflecteerde licht te detecteren om diepte en afstand te bepalen.

Faseverschuiving met behulp van AM-golf

Door de amplitude te moduleren, ontstaat er een sinusoïdale lichtbron met een bekende frequentie, 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 een golflengte is (λ = 15 m) en f de frequentie is, kan elk punt op de sensor eenvoudig in de diepte worden berekend.

Al deze dingen gebeuren heel snel omdat we met de snelheid van het licht werken. Kunt u zich 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 van je bevindt, is het tijdsverschil tussen het licht dat de camera verlaat en terugkeert ongeveer 33 nanoseconden, wat slechts overeenkomt met 0,000000033 seconden! Wauw! Om nog maar te zwijgen: de vastgelegde gegevens geven u een nauwkeurige digitale 3D-weergave voor elke pixel in de afbeelding.

Ongeacht het gebruikte principe zorgt het bieden van een lichtbron die de hele scène verlicht ervoor dat de sensor de diepte van alle punten kan bepalen. Een dergelijk resultaat geeft u een afstandskaart waarbij elke pixel de afstand tot het overeenkomstige punt in de scène codeert. Het volgende is een voorbeeld van een ToF-bereikgrafiek:

Een voorbeeld van een ToF-bereikgrafiek

Nu we weten dat ToF werkt, waarom is het dan goed? Waarom gebruiken? Waar zijn ze goed voor? Maak je 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

Vergeleken met andere afstandssensoren zoals echografie of lasers, kunnen time-of-flight-sensoren zeer snel een 3D-beeld van een scène samenstellen. Een ToF-camera kan dit bijvoorbeeld maar één keer doen. Bovendien is de ToF-sensor in staat om in korte tijd nauwkeurig objecten te detecteren en wordt hij niet beïnvloed door vochtigheid, luchtdruk en temperatuur, waardoor hij geschikt is voor zowel binnen- als buitengebruik.

lange afstand

Omdat ToF-sensoren lasers gebruiken, zijn ze ook in staat om grote afstanden en bereiken met hoge nauwkeurigheid te meten. ToF-sensoren zijn flexibel omdat ze objecten in alle soorten en maten dichtbij en ver weg kunnen detecteren.

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

Veiligheid

Bezorgd dat de laser van deToFsensor doet pijn aan uw ogen? maak je geen zorgen! Veel ToF-sensoren gebruiken nu een infraroodlaser met laag vermogen als lichtbron en sturen deze aan met gemoduleerde pulsen. De sensor voldoet aan de klasse 1-laserveiligheidsnormen om te garanderen dat deze veilig is voor het menselijk oog.

kosteneffectief

Vergeleken met andere 3D-dieptebereikscantechnologieën, zoals gestructureerde lichtcamerasystemen of laserafstandsmeters, zijn ToF-sensoren veel goedkoper.

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

4. Beperkingen van ToF

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

• Verstrooid licht

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

• Meerdere reflecties

Bij gebruik van ToF-sensoren op hoeken en holle vormen kunnen ze ongewenste reflecties veroorzaken, omdat het licht meerdere keren kan weerkaatsen, waardoor de meting wordt verstoord.

• Omgevingslicht

Het gebruik van de ToF-camera buitenshuis in fel zonlicht kan het gebruik buitenshuis bemoeilijken. Dit komt door de hoge intensiteit van het zonlicht, waardoor de sensorpixels snel verzadigen, waardoor het onmogelijk wordt om het daadwerkelijke licht te detecteren dat door het object wordt gereflecteerd.

• De conclusie

ToF-sensoren enToF-lenskan in verschillende toepassingen worden gebruikt. Van 3D-mapping, industriële automatisering, obstakeldetectie, zelfrijdende auto's, landbouw, robotica, indoornavigatie, gebarenherkenning, objectscannen, metingen, surveillance tot augmented reality! De toepassingen van ToF-technologie zijn eindeloos.

U kunt contact met ons opnemen voor alle behoeften op het gebied van ToF-lenzen.

Chuang An Optoelectronics richt zich op optische lenzen met hoge resolutie om een ​​perfect visueel merk te creëren

Chuang An Optoelectronics heeft er nu een verscheidenheid aan geproduceerdTOF-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