1. Hva er en time-of-flight (ToF)-sensor?

Hva er et time-of-flight-kamera? Er det kameraet som fanger flyets flyvning? Har det noe med fly eller fly å gjøre? Vel, det er faktisk langt unna!

ToF er et mål på tiden det tar for et objekt, en partikkel eller en bølge å tilbakelegge en avstand. Visste du at en flaggermus sitt sonarsystem fungerer? Flytidssystemet er likt!

Det finnes mange typer flygetidsensorer, men de fleste er flygetidkameraer og laserskannere, som bruker en teknologi kalt lidar (lysdeteksjon og -avstandsmåling) for å måle dybden til forskjellige punkter i et bilde ved å belyse det med infrarødt lys.

Data generert og fanget ved hjelp av ToF-sensorer er svært nyttige, ettersom de kan gi fotgjengerdeteksjon, brukerautentisering basert på ansiktstrekk, kartlegging av miljøet ved hjelp av SLAM-algoritmer (samtidig lokalisering og kartlegging) og mer.

Dette systemet er faktisk mye brukt i roboter, selvkjørende biler og til og med nå mobilenheter. Hvis du for eksempel bruker Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ osv., har telefonen din et ToF-kamera!

Et ToF-kamera

2. Hvordan fungerer flytidssensoren?

Nå vil vi gi en kort introduksjon til hva en flytidssensor er og hvordan den fungerer.

Tillatt for alleSensorer bruker små lasere til å sende ut infrarødt lys, der det resulterende lyset reflekteres fra et hvilket som helst objekt og returnerer til sensoren. Basert på tidsforskjellen mellom lysutsendelsen og returen til sensoren etter å ha blitt reflektert av objektet, kan sensoren måle avstanden mellom objektet og sensoren.

I dag skal vi utforske to måter ToF bruker reisetid på for å bestemme avstand og dybde: ved hjelp av tidspulser og ved hjelp av faseforskyvning av amplitudemodulerte bølger.

Bruk tidsbestemte pulser

For eksempel fungerer det ved å belyse et mål med en laser, deretter måle det reflekterte lyset med en skanner, og deretter bruke lysets hastighet til å ekstrapolere avstanden til objektet for å nøyaktig beregne den tilbakelagte avstanden. I tillegg brukes forskjellen i laserens returtid og bølgelengde til å lage en nøyaktig digital 3D-representasjon og overflateegenskaper til målet, og visuelt kartlegge dets individuelle egenskaper.

Som du kan se ovenfor, sendes laserlys ut og reflekteres deretter fra objektet tilbake til sensoren. Med laserens returtid kan ToF-kameraer måle nøyaktige avstander på kort tid gitt lysets hastighet. (ToF konverteres til avstand) Dette er formelen en analytiker bruker for å komme frem til den nøyaktige avstanden til et objekt:

(lysets hastighet x flytid) / 2

ToF konverterer til avstand

Som du kan se, vil timeren starte mens lyset er av, og når mottakeren mottar returlyset, vil timeren returnere tiden. Ved å trekke fra to ganger, får man lysets "flukttid", og lysets hastighet er konstant, slik at avstanden enkelt kan beregnes ved hjelp av formelen ovenfor. På denne måten kan alle punkter på objektets overflate bestemmes.

Bruk faseforskyvningen til AM-bølgen

Deretter, denTillatt for allekan også bruke kontinuerlige bølger til å oppdage faseskiftet til det reflekterte lyset for å bestemme dybde og avstand.

Faseforskyvning ved bruk av AM-bølge

Ved å modulere amplituden skapes en sinusformet lyskilde med en kjent frekvens, slik at detektoren kan bestemme faseforskyvningen til det reflekterte lyset ved hjelp av følgende formel:

Der c er lysets hastighet (c = 3 × 10^8 m/s), λ er en bølgelengde (λ = 15 m), og f er frekvensen, kan hvert punkt på sensoren enkelt beregnes i dybden.

Alle disse tingene skjer veldig raskt siden vi jobber med lysets hastighet. Kan du forestille deg presisjonen og hastigheten sensorer er i stand til å måle med? La meg gi et eksempel: Lys beveger seg med en hastighet på 300 000 kilometer per sekund. Hvis et objekt er 5 meter unna deg, er tidsforskjellen mellom lyset som forlater kameraet og det som kommer tilbake omtrent 33 nanosekunder, som bare tilsvarer 0,000000033 sekunder! Wow! For ikke å nevne at de innsamlede dataene vil gi deg en nøyaktig 3D-digital representasjon for hver piksel i bildet.

Uansett hvilket prinsipp som brukes, vil en lyskilde som lyser opp hele scenen tillate sensoren å bestemme dybden til alle punkter. Et slikt resultat gir deg et avstandskart der hver piksel koder avstanden til det tilsvarende punktet i scenen. Følgende er et eksempel på en ToF-avstandsgraf:

Et eksempel på en ToF-områdegraf

Nå som vi vet at ToF fungerer, hvorfor er det bra? Hvorfor bruke det? Hva er de bra for? Ikke bekymre deg, det er mange fordeler med å bruke en ToF-sensor, men det er selvfølgelig noen begrensninger.

3. Fordelene ved å bruke flytidssensorer

Nøyaktig og rask måling

Sammenlignet med andre avstandssensorer som ultralyd eller lasere, kan time-of-flight-sensorer komponere et 3D-bilde av en scene veldig raskt. For eksempel kan et ToF-kamera bare gjøre dette én gang. Ikke bare det, ToF-sensoren er i stand til å oppdage objekter nøyaktig på kort tid og påvirkes ikke av fuktighet, lufttrykk og temperatur, noe som gjør den egnet for både innendørs og utendørs bruk.

langdistanse

Siden ToF-sensorer bruker lasere, er de også i stand til å måle lange avstander og rekkevidder med høy nøyaktighet. ToF-sensorer er fleksible fordi de er i stand til å oppdage nære og fjerne objekter i alle former og størrelser.

Det er også fleksibelt i den forstand at du kan tilpasse systemets optikk for optimal ytelse, der du kan velge sender- og mottakertyper og linser for å få ønsket synsfelt.

Sikkerhet

Bekymret for at laseren fraTillatt for alleVil sensoren skade øynene dine? Ikke bekymre deg! Mange ToF-sensorer bruker nå en infrarød laser med lavt strømforbruk som lyskilde og driver den med modulerte pulser. Sensoren oppfyller lasersikkerhetsstandarder i klasse 1 for å sikre at den er trygg for det menneskelige øyet.

kostnadseffektiv

Sammenlignet med andre 3D-dybdeskanningsteknologier, som strukturerte lyskamerasystemer eller laseravstandsmålere, er ToF-sensorer mye billigere.

Til tross for alle disse begrensningene er ToF fortsatt svært pålitelig og en svært rask metode for å fange opp 3D-informasjon.

4. Begrensninger i ToF

Selv om ToF har mange fordeler, har det også begrensninger. Noen av begrensningene med ToF inkluderer:

• Spredt lys

Hvis svært lyse overflater er svært nær ToF-sensoren, kan de spre for mye lys inn i mottakeren og skape artefakter og uønskede refleksjoner, siden ToF-sensoren bare trenger å reflektere lyset når målingen er klar.

• Flere refleksjoner

Når man bruker ToF-sensorer på hjørner og konkave former, kan de forårsake uønskede refleksjoner, ettersom lyset kan reflekteres flere ganger og forvrenge målingen.

• Omgivelseslys

Det kan være vanskelig å bruke ToF-kameraet utendørs i sterkt sollys. Dette skyldes den høye intensiteten av sollys som gjør at sensorpiksler raskt mettes, noe som gjør det umulig å oppdage det faktiske lyset som reflekteres fra objektet.

• Konklusjonen

ToF-sensorer ogToF-objektivkan brukes i en rekke applikasjoner. Fra 3D-kartlegging, industriell automatisering, hindringsdeteksjon, selvkjørende biler, landbruk, robotikk, innendørs navigasjon, bevegelsesgjenkjenning, objektskanning, målinger, overvåking til utvidet virkelighet! Bruksområdene til ToF-teknologi er uendelige.

Du kan kontakte oss for eventuelle behov knyttet til ToF-objektiver.

Chuang An Optoelectronics fokuserer på HD-optiske linser for å skape et perfekt visuelt merke

Chuang An Optoelectronics har nå produsert en rekkeTOF-linserslik som:

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2" IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2" IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3" IR850nm

CH3652B f3.3mm F1.1 1/3" IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3" IR850nm

CH3653B f3.9mm F1.1 1/3" IR940nm

CH3654A f5,0 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5,0 mm F1,1 1/3″ IR940nm