1. Czym jest czujnik czasu przelotu (ToF)?

Czym jest kamera rejestrująca czas przelotu? Czy to kamera rejestrująca lot samolotu? Czy ma coś wspólnego z samolotami lub samolotami? Cóż, to jeszcze daleka przyszłość!

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

Istnieje wiele rodzajów czujników czasu przelotu, ale większość z nich to kamery czasu przelotu i skanery laserowe, które wykorzystują technologię lidar (detekcja i pomiar odległości światłem) do pomiaru głębokości różnych punktów na obrazie poprzez oświetlenie go światłem podczerwonym.

Dane generowane i przechwytywane przez czujniki ToF są bardzo przydatne, ponieważ umożliwiają wykrywanie pieszych, uwierzytelnianie użytkowników na podstawie rysów twarzy, mapowanie otoczenia przy użyciu algorytmów SLAM (jednoczesna lokalizacja i mapowanie) i wiele innych.

Ten system jest obecnie szeroko stosowany w robotach, samochodach autonomicznych, a nawet w urządzeniach mobilnych. Na przykład, jeśli używasz Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ itp., Twój telefon ma kamerę ToF!

Kamera ToF

2. Jak działa czujnik czasu przelotu?

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

ToFCzujniki wykorzystują maleńkie lasery do emisji światła podczerwonego, które odbija się od dowolnego obiektu i powraca do czujnika. Na podstawie różnicy czasu między emisją światła a powrotem do czujnika po odbiciu od obiektu, czujnik może zmierzyć odległość między obiektem a czujnikiem.

Dzisiaj przyjrzymy się dwóm sposobom, w jakie ToF wykorzystuje czas podróży do określenia odległości i głębokości: za pomocą impulsów czasowych i za pomocą przesunięcia fazowego fal o modulacji amplitudy.

Użyj impulsów czasowych

Na przykład, działa ona poprzez oświetlanie celu laserem, a następnie pomiar odbitego światła za pomocą skanera, a następnie wykorzystanie prędkości światła do ekstrapolacji odległości obiektu i precyzyjnego obliczenia przebytej odległości. Ponadto, różnica w czasie powrotu lasera i długości fali jest następnie wykorzystywana do stworzenia dokładnego cyfrowego, trójwymiarowego obrazu i cech powierzchni celu, a także wizualnego odwzorowania jego poszczególnych 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 światła. (ToF przelicza się na odległość). Oto wzór, którego analityk używa do obliczenia dokładnej odległości od 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. Po dwukrotnym odjęciu uzyskuje się „czas przelotu” światła, a prędkość światła jest stała, więc odległość można łatwo obliczyć za pomocą powyższego wzoru. W ten sposób można określić wszystkie punkty na powierzchni obiektu.

Wykorzystaj przesunięcie fazowe fali AM

Następnie,ToFmoże również wykorzystywać fale ciągłe do wykrywania przesunięcia fazowego odbitego światła, aby określić głębokość i odległość.

Przesunięcie fazy z wykorzystaniem fali AM

Modulacja amplitudy tworzy sinusoidalne źródło światła o znanej częstotliwości, co pozwala detektorowi określić przesunięcie fazowe odbitego światła, korzystając z następującego wzoru:

gdzie c jest prędkością światła (c = 3 × 10^8 m/s), λ jest długością fali (λ = 15 m), a f jest częstotliwością, każdy punkt na czujniku można łatwo obliczyć szczegółowo.

Wszystko to dzieje się bardzo szybko, ponieważ pracujemy z prędkością światła. Czy potrafisz sobie wyobrazić precyzję i prędkość, z jaką czujniki potrafią mierzyć? Pozwól, że podam przykład: światło porusza się z prędkością 300 000 kilometrów na sekundę, więc jeśli obiekt znajduje się 5 metrów od Ciebie, różnica czasu między wyjściem światła z aparatu a powrotem wynosi około 33 nanosekundy, co odpowiada zaledwie 0,000000033 sekundy! Wow! Co więcej, zebrane dane dadzą Ci dokładny, trójwymiarowy obraz cyfrowy 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, gdzie każdy piksel koduje odległość do odpowiadającego mu punktu w scenie. Poniżej znajduje się przykładowy wykres zakresu ToF:

Przykład wykresu zakresu ToF

Skoro już wiemy, że czujnik ToF działa, dlaczego jest dobry? Po co go używać? Do czego się przyda? 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 (TOF) są w stanie bardzo szybko stworzyć trójwymiarowy obraz sceny. Na przykład kamera ToF może to zrobić tylko raz. Co więcej, czujnik ToF jest w stanie precyzyjnie wykrywać obiekty w krótkim czasie i jest niezależny od wilgotności, ciśnienia powietrza i temperatury, co czyni go odpowiednim do użytku zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz.

na duże odległości

Ponieważ czujniki ToF wykorzystują lasery, mogą one również mierzyć duże odległości i zasięgi z dużą dokładnością. Czujniki ToF są elastyczne, ponieważ mogą wykrywać bliskie i dalekie obiekty o różnych kształtach i rozmiarach.

Jest on również elastyczny w tym sensie, że można dostosować optykę systemu w celu uzyskania optymalnej wydajności, wybierając typ nadajnika i odbiornika, a także obiektywy, aby uzyskać pożądane pole widzenia.

Bezpieczeństwo

Martwi się, że laser zToFCzy czujnik ToF uszkodzi Twoje oczy? Nie martw się! Wiele czujników ToF wykorzystuje obecnie laser podczerwony o niskiej mocy jako źródło światła i steruje nim za pomocą modulowanych impulsów. Czujnik spełnia normy bezpieczeństwa lasera klasy 1, co gwarantuje bezpieczeństwo dla ludzkiego oka.

opłacalny

W porównaniu z innymi technologiami skanowania głębokości 3D, takimi jak systemy kamer światła strukturalnego lub dalmierze laserowe, czujniki ToF są znacznie tańsze.

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

4. Ograniczenia ToF

Chociaż ToF ma wiele zalet, ma też swoje ograniczenia. Oto niektóre z nich:

• Rozproszone światło

Jeśli bardzo jasne powierzchnie znajdują się bardzo blisko czujnika ToF, mogą rozproszyć zbyt dużo światła w kierunku odbiornika i spowodować artefakty oraz niepożądane odbicia, ponieważ czujnik ToF odbija światło dopiero wtedy, gdy pomiar jest gotowy.

• Wielokrotne odbicia

W przypadku stosowania czujników ToF na narożnikach i powierzchniach wklęsłych, mogą wystąpić niepożądane odbicia, ponieważ światło może odbijać się wielokrotnie, zniekształcając pomiar.

• Światło otoczenia

Używanie kamery ToF na zewnątrz w jasnym świetle słonecznym może być utrudnione. Wynika to z wysokiego natężenia światła słonecznego, które powoduje szybkie nasycenie pikseli matrycy, uniemożliwiając wykrycie rzeczywistego światła odbitego od obiektu.

• Wniosek

Czujniki ToF iSoczewka ToFMoże być wykorzystywany w wielu zastosowaniach. Od mapowania 3D, automatyki przemysłowej, wykrywania przeszkód, samochodów autonomicznych, rolnictwa, robotyki, nawigacji wewnętrznej, rozpoznawania gestów, skanowania obiektów, pomiarów, monitoringu po rzeczywistość rozszerzoną! Zastosowania technologii ToF są nieograniczone.

Skontaktuj się z nami w sprawie wszelkich potrzeb dotyczących obiektywów ToF.

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

Firma Chuang An Optoelectronics wyprodukowała już szeregSoczewki TOFjak na przykład:

CH3651A f3,6mm 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 f3,9 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3653B f3,9 mm F1,1 1/3″ IR940nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm