1. O que é um sensor de tempo de voo (ToF)?

O que é uma câmera de tempo de voo? É a câmera que captura o vôo do avião? Tem algo a ver com aviões ou aviões? Bem, na verdade ainda está muito longe!

ToF é uma medida do tempo que um objeto, partícula ou onda leva para percorrer uma distância. Você sabia que o sistema de sonar de um morcego funciona? O sistema de tempo de voo é semelhante!

Existem muitos tipos de sensores de tempo de voo, mas a maioria são câmeras de tempo de voo e scanners a laser, que usam uma tecnologia chamada lidar (detecção e alcance de luz) para medir a profundidade de vários pontos em uma imagem brilhando-a. com luz infravermelha.

Os dados gerados e capturados usando sensores ToF são muito úteis, pois podem fornecer detecção de pedestres, autenticação de usuário com base em características faciais, mapeamento de ambiente usando algoritmos SLAM (localização e mapeamento simultâneos) e muito mais.

Na verdade, esse sistema é amplamente utilizado em robôs, carros autônomos e até mesmo em seus dispositivos móveis. Por exemplo, se você estiver usando Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, etc., seu telefone possui uma câmera ToF!

Uma câmera ToF

2. Como funciona o sensor de tempo de voo?

Agora, gostaríamos de fazer uma breve introdução sobre o que é um sensor de tempo de voo e como ele funciona.

ToFos sensores usam minúsculos lasers para emitir luz infravermelha, onde a luz resultante reflete em qualquer objeto e retorna ao sensor. Com base na diferença de tempo entre a emissão da luz e o retorno ao sensor após ser refletido pelo objeto, o sensor pode medir a distância entre o objeto e o sensor.

Hoje, exploraremos duas maneiras de como o ToF usa o tempo de viagem para determinar a distância e a profundidade: usando pulsos de temporização e usando mudança de fase de ondas moduladas em amplitude.

Use pulsos cronometrados

Por exemplo, funciona iluminando um alvo com um laser, depois medindo a luz refletida com um scanner e, em seguida, usando a velocidade da luz para extrapolar a distância do objeto e calcular com precisão a distância percorrida. Além disso, a diferença no tempo de retorno do laser e no comprimento de onda é então usada para fazer uma representação digital 3D precisa e características de superfície do alvo, e mapear visualmente suas características individuais.

Como você pode ver acima, a luz do laser é disparada e depois refletida no objeto de volta ao sensor. Com o tempo de retorno do laser, as câmeras ToF são capazes de medir distâncias precisas em um curto período de tempo, dada a velocidade de viagem da luz. (ToF é convertido em distância) Esta é a fórmula que um analista usa para chegar à distância exata de um objeto:

(velocidade da luz x tempo de vôo) / 2

ToF converte em distância

Como você pode ver, o cronômetro iniciará enquanto a luz estiver apagada e, quando o receptor receber a luz de retorno, o cronômetro retornará a hora. Ao subtrair duas vezes, obtém-se o “tempo de voo” da luz, e a velocidade da luz é constante, portanto a distância pode ser facilmente calculada usando a fórmula acima. Desta forma, todos os pontos da superfície do objeto podem ser determinados.

Use a mudança de fase da onda AM

A seguir, oToFtambém pode usar ondas contínuas para detectar a mudança de fase da luz refletida para determinar a profundidade e a distância.

Mudança de fase usando onda AM

Ao modular a amplitude, cria uma fonte de luz sinusoidal com uma frequência conhecida, permitindo ao detector determinar a mudança de fase da luz reflectida utilizando a seguinte fórmula:

onde c é a velocidade da luz (c = 3 × 10 ^ 8 m/s), λ é um comprimento de onda (λ = 15 m) e f é a frequência, cada ponto no sensor pode ser facilmente calculado em profundidade.

Todas essas coisas acontecem muito rápido enquanto trabalhamos na velocidade da luz. Você consegue imaginar a precisão e a velocidade com que os sensores são capazes de medir? Deixe-me dar um exemplo, a luz viaja a uma velocidade de 300.000 quilômetros por segundo, se um objeto estiver a 5m de você, a diferença de tempo entre a luz saindo da câmera e retornando é de cerca de 33 nanossegundos, o que equivale apenas a 0,000000033 segundos! Uau! Sem mencionar que os dados capturados fornecerão uma representação digital 3D precisa para cada pixel da imagem.

Independentemente do princípio utilizado, fornecer uma fonte de luz que ilumine toda a cena permite que o sensor determine a profundidade de todos os pontos. Esse resultado fornece um mapa de distância onde cada pixel codifica a distância até o ponto correspondente na cena. A seguir está um exemplo de gráfico de intervalo ToF:

Um exemplo de gráfico de intervalo ToF

Agora que sabemos que o ToF funciona, por que é bom? Por que usá-lo? Para que servem? Não se preocupe, há muitas vantagens em usar um sensor ToF, mas é claro que existem algumas limitações.

3. Os benefícios do uso de sensores de tempo de voo

Medição precisa e rápida

Comparados a outros sensores de distância, como ultrassom ou laser, os sensores de tempo de voo são capazes de compor uma imagem 3D de uma cena muito rapidamente. Por exemplo, uma câmera ToF pode fazer isso apenas uma vez. Além disso, o sensor ToF é capaz de detectar objetos com precisão em um curto espaço de tempo e não é afetado pela umidade, pressão do ar e temperatura, tornando-o adequado para uso interno e externo.

longa distância

Como os sensores ToF usam lasers, eles também são capazes de medir longas distâncias e alcances com alta precisão. Os sensores ToF são flexíveis porque são capazes de detectar objetos próximos e distantes de todas as formas e tamanhos.

Também é flexível no sentido de que você pode personalizar a ótica do sistema para um desempenho ideal, onde você pode escolher os tipos de transmissor e receptor e lentes para obter o campo de visão desejado.

Segurança

Preocupado que o laser doToFsensor vai machucar seus olhos? não se preocupe! Muitos sensores ToF agora usam um laser infravermelho de baixa potência como fonte de luz e o acionam com pulsos modulados. O sensor atende aos padrões de segurança de laser Classe 1 para garantir que seja seguro para o olho humano.

econômico

Em comparação com outras tecnologias de varredura de profundidade 3D, como sistemas de câmeras de luz estruturadas ou telêmetros a laser, os sensores ToF são muito mais baratos em comparação a eles.

Apesar de todas essas limitações, o ToF ainda é muito confiável e um método muito rápido de captura de informações 3D.

4. Limitações do ToF

Embora o ToF tenha muitos benefícios, ele também tem limitações. Algumas das limitações do ToF incluem:

• Luz dispersa

Se superfícies muito brilhantes estiverem muito próximas do sensor ToF, elas poderão espalhar muita luz no receptor e criar artefatos e reflexos indesejados, já que o sensor ToF só precisa refletir a luz quando a medição estiver pronta.

• Reflexões múltiplas

Ao usar sensores ToF em cantos e formas côncavas, eles podem causar reflexos indesejados, pois a luz pode refletir diversas vezes, distorcendo a medição.

• Luz ambiente

Usar a câmera ToF ao ar livre sob luz solar intensa pode dificultar o uso externo. Isso se deve à alta intensidade da luz solar, fazendo com que os pixels do sensor saturem rapidamente, impossibilitando a detecção da luz real refletida no objeto.

• A conclusão

Sensores ToF eLente ToFpode ser usado em uma variedade de aplicações. Desde mapeamento 3D, automação industrial, detecção de obstáculos, carros autônomos, agricultura, robótica, navegação interna, reconhecimento de gestos, digitalização de objetos, medições, vigilância até realidade aumentada! As aplicações da tecnologia ToF são infinitas.

Você pode entrar em contato conosco para qualquer necessidade de lentes ToF.

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