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 voo do avião? Tem alguma relação com aviões ou aeronaves? Bem, na verdade, é algo bem diferente!

O tempo de voo (ToF) mede o tempo que um objeto, partícula ou onda leva para percorrer uma determinada distância. Você sabia que o sistema de sonar dos morcegos funciona de forma semelhante? O sistema de tempo de voo é parecido!

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 por luz) para medir a profundidade de vários pontos em uma imagem, iluminando-a com luz infravermelha.

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

Esse sistema é amplamente utilizado em robôs, carros autônomos e até mesmo em dispositivos móveis. Por exemplo, se você usa um Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, etc., seu celular possui uma câmera ToF!

Uma câmera ToF

2. Como funciona o sensor de tempo de voo?

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

ToFOs sensores utilizam minúsculos lasers para emitir luz infravermelha, cuja luz resultante reflete em qualquer objeto e retorna ao sensor. Com base na diferença de tempo entre a emissão da luz e o seu retorno ao sensor após ser refletida pelo objeto, o sensor consegue medir a distância entre o objeto e o sensor.

Hoje, vamos explorar duas maneiras pelas quais a tecnologia ToF utiliza o tempo de percurso para determinar a distância e a profundidade: usando pulsos de temporização e usando a mudança de fase de ondas moduladas em amplitude.

Use pulsos temporizados

Por exemplo, funciona iluminando um alvo com um laser, 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 e no comprimento de onda do laser é usada para criar uma representação digital 3D precisa e mapear visualmente as características da superfície do alvo, bem como suas características individuais.

Como você pode ver acima, a luz do laser é emitida e, em seguida, reflete no objeto e retorna ao sensor. Com o tempo de retorno do laser, as câmeras ToF conseguem medir distâncias precisas em um curto período de tempo, dada a velocidade da luz. (O ToF converte o valor em distância). Esta é a fórmula que um analista usa para chegar à distância exata de um objeto:

(velocidade da luz x tempo de voo) / 2

O ToF converte em distância.

Como você pode ver, o cronômetro inicia enquanto a luz está apagada e, quando o receptor recebe a luz de retorno, o cronômetro retorna o tempo. Subtraindo-se o resultado duas vezes, obtém-se o "tempo de voo" da luz. Como a velocidade da luz é constante, a distância pode ser facilmente calculada usando a fórmula acima. Dessa forma, todos os pontos na superfície do objeto podem ser determinados.

Utilize a defasagem da onda AM.

Em seguida, oToFTambém é possível usar ondas contínuas para detectar a mudança de fase da luz refletida e, assim, determinar a profundidade e a distância.

Deslocamento de fase usando onda AM

Ao modular a amplitude, cria-se uma fonte de luz sinusoidal com uma frequência conhecida, permitindo que o detector determine a mudança de fase da luz refletida usando a seguinte fórmula:

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

Tudo isso acontece muito rápido, pois trabalhamos na velocidade da luz. Consegue imaginar a precisão e a velocidade com que os sensores conseguem medir? Deixe-me dar um exemplo: a luz viaja a uma velocidade de 300.000 quilômetros por segundo. Se um objeto estiver a 5 metros de distância, a diferença de tempo entre a luz sair da câmera e retornar é de cerca de 33 nanossegundos, o que equivale a apenas 0,000000033 segundos! Incrível! 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. Tal resultado gera um mapa de distância onde cada pixel codifica a distância até o ponto correspondente na cena. Segue abaixo um exemplo de um gráfico de alcance ToF:

Um exemplo de gráfico de alcance ToF

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

3. Os benefícios da utilização de sensores de tempo de voo

Medição precisa e rápida

Em comparação com outros sensores de distância, como ultrassom ou laser, os sensores de tempo de voo (ToF) conseguem compor uma imagem 3D de uma cena muito rapidamente. Por exemplo, uma câmera ToF consegue fazer isso em apenas uma vez. Além disso, o sensor ToF é capaz de detectar objetos com precisão em um curto período de tempo e não é afetado por umidade, pressão atmosférica e temperatura, tornando-o adequado tanto para uso interno quanto externo.

longa distância

Como os sensores ToF utilizam lasers, eles também são capazes de medir longas distâncias e alcances com alta precisão. Os sensores ToF são flexíveis porque conseguem detectar objetos próximos e distantes de todos os formatos e tamanhos.

É também flexível no sentido de que permite personalizar a ótica do sistema para um desempenho ideal, podendo escolher os tipos de transmissor e receptor, bem como as lentes, para obter o campo de visão desejado.

Segurança

Preocupado com o laser doToFO sensor pode prejudicar 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 a laser Classe 1 para garantir que seja seguro para os olhos humanos.

custo-benefício

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

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

4. Limitações do ToF

Embora a ToF (Time-of-Flight) apresente muitas vantagens, também possui limitações. Algumas dessas limitações incluem:

• Luz dispersa

Se superfícies muito brilhantes estiverem muito próximas do seu sensor ToF, elas podem dispersar 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, podem ocorrer reflexos indesejados, pois a luz pode refletir várias vezes, distorcendo a medição.

• Luz ambiente

Usar a câmera ToF ao ar livre sob luz solar intensa pode dificultar seu uso. Isso ocorre porque a alta intensidade da luz solar faz com que os pixels do sensor saturem rapidamente, impossibilitando a detecção da luz refletida pelo objeto.

• A conclusão

sensores ToF eLente ToFPode ser utilizado 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.

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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 f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm