1. Co to jest czujnik czasu przelotu (ToF)?

Co to jest kamera czasu przelotu? Czy to kamera rejestruje lot samolotu? Czy to ma coś wspólnego z samolotami lub samolotami? Cóż, to naprawdę bardzo daleko!

ToF to miara czasu potrzebnego obiektowi, cząstce lub fali na przebycie pewnej odległości. Czy wiesz, że system sonarowy nietoperza działa? System czasu przelotu jest podobny!

Istnieje wiele rodzajów czujników czasu przelotu, ale większość z nich to kamery czasu przelotu i skanery laserowe, które wykorzystują technologię zwaną lidarem (wykrywanie i określanie odległości światła) do pomiaru głębokości różnych punktów obrazu poprzez świecenie go światłem podczerwonym.

Dane generowane i przechwytywane za pomocą czujników ToF są bardzo przydatne, ponieważ mogą zapewniać wykrywanie pieszych, uwierzytelnianie użytkowników na podstawie cech twarzy, mapowanie środowiska za pomocą algorytmów SLAM (jednoczesna lokalizacja i mapowanie) i nie tylko.

System ten jest powszechnie stosowany w robotach, samochodach autonomicznych, a nawet obecnie w urządzeniach mobilnych. Na przykład, jeśli używasz Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ itp., Twój telefon ma aparat ToF!

Kamera ToF

2. Jak działa czujnik czasu przelotu?

Teraz chcielibyśmy krótko przedstawić, czym jest czujnik czasu przelotu i jak działa.

ToFczujniki wykorzystują maleńkie lasery do emitowania światła podczerwonego, którego powstałe światło odbija się od dowolnego obiektu i wraca do czujnika. Na podstawie różnicy czasu pomiędzy emisją światła a powrotem do czujnika po odbiciu od obiektu, czujnik może zmierzyć odległość pomiędzy obiektem a czujnikiem.

Dzisiaj zbadamy 2 sposoby, w jaki ToF wykorzystuje czas podróży do określenia odległości i głębokości: używając impulsów taktujących i wykorzystując przesunięcie fazowe fal modulowanych amplitudą.

Użyj impulsów czasowych

Działa na przykład poprzez oświetlenie celu laserem, następnie pomiar odbitego światła za pomocą skanera, a następnie wykorzystanie prędkości światła do ekstrapolacji odległości obiektu w celu dokładnego obliczenia przebytej odległości. Ponadto różnica w czasie powrotu lasera i długości fali jest następnie wykorzystywana do dokładnej cyfrowej reprezentacji 3D i cech powierzchni celu oraz wizualnego mapowania jego indywidualnych cech.

Jak widać powyżej, światło lasera jest emitowane, a następnie odbija się od obiektu z powrotem do czujnika. Dzięki czasowi powrotu lasera kamery ToF są w stanie mierzyć dokładne odległości w krótkim czasie, biorąc pod uwagę prędkość przemieszczania się światła. (ToF konwertuje na odległość) Jest to wzór, którego używa analityk, aby określić dokładną odległość obiektu:

(prędkość światła x czas lotu) / 2

ToF konwertuje na odległość

Jak widać, timer uruchomi się, gdy światło jest wyłączone, a gdy odbiornik odbierze światło zwrotne, timer zwróci czas. Odejmując dwukrotnie, otrzymujemy „czas przelotu” światła, a prędkość światła jest stała, dlatego odległość można łatwo obliczyć, korzystając z powyższego wzoru. W ten sposób można wyznaczyć wszystkie punkty na powierzchni obiektu.

Wykorzystaj przesunięcie fazowe fali AM

Następny,ToFmoże również wykorzystywać fale ciągłe do wykrywania przesunięcia fazowego odbitego światła w celu określenia głębokości i odległości.

Przesunięcie fazowe za pomocą fali AM

Modulując amplitudę, tworzy sinusoidalne źródło światła o znanej częstotliwości, co pozwala detektorowi określić przesunięcie fazowe światła odbitego za pomocą następującego wzoru:

gdzie c to prędkość światła (c = 3 × 10^8 m/s), λ to długość fali (λ = 15 m), a f to częstotliwość, każdy punkt czujnika można łatwo obliczyć dogłębnie.

Wszystko to dzieje się bardzo szybko, ponieważ pracujemy z prędkością światła. Czy możesz sobie wyobrazić precyzję i szybkość, z jaką czujniki są w stanie mierzyć? Podam przykład: światło porusza się z prędkością 300 000 kilometrów na sekundę, jeśli obiekt znajduje się w odległości 5 m od Ciebie, różnica czasu pomiędzy wyjściem i powrotem światła z aparatu wynosi około 33 nanosekund, co odpowiada tylko 0,000000033 sekundy! Wow! Nie wspominając, że przechwycone dane zapewnią dokładną cyfrową reprezentację 3D dla każdego piksela na obrazie.

Niezależnie od zastosowanej zasady, zapewnienie źródła światła oświetlającego całą scenę pozwala czujnikowi określić głębokość wszystkich punktów. Taki wynik daje mapę odległości, na której każdy piksel koduje odległość do odpowiedniego punktu na scenie. Poniżej znajduje się przykład wykresu zakresu ToF:

Przykład wykresu zakresu ToF

Skoro już wiemy, że ToF działa, dlaczego jest dobre? Dlaczego go używać? Do czego się nadają? Nie martw się, korzystanie z czujnika ToF ma wiele zalet, ale oczywiście istnieją pewne ograniczenia.

3. Korzyści ze stosowania czujników czasu przelotu

Dokładny i szybki pomiar

W porównaniu z innymi czujnikami odległości, takimi jak ultradźwięki czy lasery, czujniki czasu przelotu są w stanie bardzo szybko skomponować obraz 3D sceny. Na przykład kamera ToF może to zrobić tylko raz. Co więcej, czujnik ToF jest w stanie dokładnie wykryć obiekty w krótkim czasie i nie ma na niego wpływu wilgotność, ciśnienie powietrza i temperatura, dzięki czemu nadaje się zarówno do użytku wewnątrz, jak i na zewnątrz.

duża odległość

Ponieważ czujniki ToF wykorzystują lasery, są one również w stanie mierzyć duże odległości i zasięgi z dużą dokładnością. Czujniki ToF są elastyczne, ponieważ są w stanie wykryć bliskie i dalekie obiekty wszystkich kształtów i rozmiarów.

Jest również elastyczny w tym sensie, że możesz dostosować optykę systemu w celu uzyskania optymalnej wydajności, gdzie możesz wybrać typ nadajnika i odbiornika oraz soczewki, aby uzyskać pożądane pole widzenia.

Bezpieczeństwo

Martwiłem się, że laser zToFczujnik zaszkodzi Twoim oczom? Nie martw się! Wiele czujników ToF wykorzystuje obecnie laser podczerwony o małej mocy jako źródło światła i napędza go modulowanymi impulsami. Czujnik spełnia standardy bezpieczeństwa lasera klasy 1, co gwarantuje, że jest bezpieczny dla ludzkiego oka.

opłacalne

W porównaniu do innych technologii skanowania 3D w zakresie głębokości, takich jak systemy kamer światła strukturalnego lub dalmierze laserowe, czujniki ToF są od nich znacznie tańsze.

Pomimo tych wszystkich ograniczeń, ToF jest nadal bardzo niezawodną i bardzo szybką metodą przechwytywania informacji 3D.

4. Ograniczenia ToF

Chociaż ToF ma wiele zalet, ma również ograniczenia. Niektóre ograniczenia ToF obejmują:

• Rozproszone światło

Jeśli bardzo jasne powierzchnie znajdują się bardzo blisko czujnika ToF, mogą rozproszyć zbyt dużo światła do odbiornika i stworzyć artefakty oraz niepożądane odbicia, ponieważ czujnik ToF musi odbijać światło dopiero po zakończeniu pomiaru.

• Wiele refleksji

Używanie czujników ToF w rogach i wklęsłych kształtach może powodować niepożądane odbicia, ponieważ światło może odbijać się wielokrotnie, zniekształcając pomiar.

• Światło otoczenia

Używanie kamery ToF na zewnątrz w jasnym świetle słonecznym może utrudniać korzystanie z niej na zewnątrz. Dzieje się tak na skutek dużego natężenia światła słonecznego, które powoduje szybkie nasycenie pikseli czujnika i uniemożliwia wykrycie rzeczywistego światła odbitego od obiektu.

• Wniosek

Czujniki ToF iObiektyw ToFmoże być używany w różnych zastosowaniach. Od mapowania 3D, automatyki przemysłowej, wykrywania przeszkód, samochodów autonomicznych, rolnictwa, robotyki, nawigacji wewnętrznej, rozpoznawania gestów, skanowania obiektów, pomiarów, nadzoru po rzeczywistość rozszerzoną! Zastosowania technologii ToF są nieograniczone.

Możesz skontaktować się z nami w sprawie wszelkich potrzeb związanych z obiektywami ToF.

Chuang An Optoelectronics koncentruje się na soczewkach optycznych o wysokiej rozdzielczości, aby stworzyć idealną markę wizualną

Firma Chuang An Optoelectronics wyprodukowała obecnie różnorodneSoczewki TOF-owejak na przykład:

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 f3,3 mm F1,1 1/3″ IR940nm

CH3653A f3,9 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3653B f3,9 mm F1,1 1/3″ IR940nm

CH3654A f5,0 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5,0 mm F1,1 1/3″ IR940nm