1. Что такое времяпролетный датчик (ToF)?

Что такое времяпролетная камера? Это камера, которая фиксирует полет самолета? Это как-то связано с самолетами или самолетами? Ну, это на самом деле очень далеко!

ToF — это мера времени, которое требуется объекту, частице или волне, чтобы преодолеть расстояние. Знаете ли вы, что сонарная система летучей мыши работает? Времяпролетная система аналогична!

Существует много видов времяпролетных датчиков, но большинство из них — это времяпролетные камеры и лазерные сканеры, которые используют технологию, называемую лидар (обнаружение света и определение дальности), для измерения глубины различных точек изображения путем их освещения. с инфракрасным светом.

Данные, генерируемые и собираемые с помощью датчиков ToF, очень полезны, поскольку они могут обеспечить обнаружение пешеходов, аутентификацию пользователей на основе черт лица, картографирование окружающей среды с использованием алгоритмов SLAM (одновременная локализация и картографирование) и многое другое.

Эта система на самом деле широко используется в роботах, беспилотных автомобилях и даже в мобильных устройствах. Например, если вы используете Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ и т. д., ваш телефон оснащен камерой ToF!

ToF-камера

2. Как работает датчик времени пролета?

Теперь мы хотели бы кратко рассказать о том, что такое датчик времени пролета и как он работает.

ToFДатчики используют крошечные лазеры для излучения инфракрасного света, при этом полученный свет отражается от любого объекта и возвращается к датчику. Основываясь на разнице во времени между испусканием света и возвращением к датчику после отражения от объекта, датчик может измерить расстояние между объектом и датчиком.

Сегодня мы рассмотрим два способа, как ToF использует время путешествия для определения расстояния и глубины: использование синхронизирующих импульсов и использование фазового сдвига амплитудно-модулированных волн.

Используйте синхронизированные импульсы

Например, он освещает цель лазером, затем измеряет отраженный свет с помощью сканера, а затем использует скорость света для экстраполяции расстояния до объекта и точного расчета пройденного расстояния. Кроме того, разница во времени возврата и длине волны лазера затем используется для точного цифрового трехмерного представления и характеристик поверхности цели, а также для визуального отображения ее индивидуальных особенностей.

Как вы можете видеть выше, лазерный свет излучается, а затем отражается от объекта обратно к датчику. Благодаря времени возврата лазера камеры ToF способны измерять точные расстояния за короткий период времени, учитывая скорость движения света. (ToF преобразуется в расстояние) Это формула, которую аналитик использует для определения точного расстояния до объекта:

(скорость света х время полета) / 2

ToF преобразуется в расстояние

Как видите, таймер запустится, пока свет выключен, и когда приемник получит ответный свет, таймер вернет время. При двукратном вычитании получается «время полета» света, а скорость света постоянна, поэтому расстояние можно легко рассчитать по приведенной выше формуле. Таким способом можно определить все точки на поверхности объекта.

Используйте фазовый сдвиг AM-волны

Далее,ToFтакже может использовать непрерывные волны для обнаружения фазового сдвига отраженного света и определения глубины и расстояния.

Фазовый сдвиг с использованием AM-волны

Модулируя амплитуду, он создает синусоидальный источник света с известной частотой, позволяющий детектору определять фазовый сдвиг отраженного света по следующей формуле:

где c — скорость света (c = 3 × 10^8 м/с), λ — длина волны (λ = 15 м) и f — частота, каждую точку датчика можно легко рассчитать по глубине.

Все эти вещи происходят очень быстро, поскольку мы работаем со скоростью света. Можете ли вы представить себе точность и скорость, с которой датчики способны производить измерения? Приведу пример: свет распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду, если объект находится на расстоянии 5 м от вас, разница во времени между светом, покидающим камеру, и возвращением составляет около 33 наносекунд, что эквивалентно всего 0,000000033 секунды! Ух ты! Не говоря уже о том, что собранные данные дадут вам точное цифровое трехмерное представление каждого пикселя изображения.

Независимо от используемого принципа, наличие источника света, освещающего всю сцену, позволяет датчику определять глубину всех точек. Такой результат дает вам карту расстояний, где каждый пиксель кодирует расстояние до соответствующей точки сцены. Ниже приведен пример графика диапазона ToF:

Пример графика диапазона ToF

Теперь, когда мы знаем, что ToF работает, почему это хорошо? Зачем его использовать? Чем они хороши? Не волнуйтесь, использование датчика ToF имеет множество преимуществ, но, конечно, есть и некоторые ограничения.

3. Преимущества использования времяпролетных датчиков

Точное и быстрое измерение

По сравнению с другими датчиками расстояния, такими как ультразвуковые или лазерные, датчики времени пролета способны очень быстро создавать трехмерное изображение сцены. Например, камера ToF может сделать это только один раз. Мало того, датчик ToF способен точно обнаруживать объекты за короткое время, на него не влияют влажность, давление воздуха и температура, что делает его пригодным как для внутреннего, так и для наружного использования.

большое расстояние

Поскольку в датчиках ToF используются лазеры, они также способны измерять большие расстояния и дальности с высокой точностью. Датчики ToF являются гибкими, поскольку они способны обнаруживать ближние и дальние объекты всех форм и размеров.

Она также является гибкой в ​​том смысле, что вы можете настроить оптику системы для достижения оптимальной производительности, выбрав типы передатчика и приемника, а также линзы для получения желаемого поля зрения.

Безопасность

Обеспокоенный тем, что лазер изToFдатчик повредит глаза? Не волнуйтесь! Многие датчики ToF теперь используют маломощный инфракрасный лазер в качестве источника света и управляют им модулированными импульсами. Датчик соответствует стандартам лазерной безопасности класса 1, что гарантирует его безопасность для человеческого глаза.

экономически эффективный

По сравнению с другими технологиями трехмерного сканирования диапазона глубины, такими как системы камер со структурированным светом или лазерные дальномеры, датчики ToF намного дешевле.

Несмотря на все эти ограничения, ToF по-прежнему остается очень надежным и очень быстрым методом захвата трехмерной информации.

4. Ограничения ToF

Хотя ToF имеет множество преимуществ, у него также есть ограничения. Некоторые ограничения ToF включают в себя:

• Рассеянный свет

Если очень яркие поверхности находятся очень близко к вашему датчику ToF, они могут рассеивать слишком много света на ваш приемник и создавать артефакты и нежелательные отражения, поскольку вашему датчику ToF необходимо отражать свет только после того, как измерение будет готово.

• Множественные отражения

При использовании датчиков ToF на углах и вогнутых формах они могут вызывать нежелательные отражения, поскольку свет может многократно отражаться, искажая измерения.

• Окружающий свет

Использование камеры ToF на открытом воздухе при ярком солнечном свете может затруднить ее использование на открытом воздухе. Это происходит из-за высокой интенсивности солнечного света, из-за которого пиксели датчика быстро насыщаются, что делает невозможным обнаружение фактического света, отраженного от объекта.

• Заключение

Датчики ToF иToF-объективможет использоваться в различных приложениях. От 3D-картографии, промышленной автоматизации, обнаружения препятствий, беспилотных автомобилей, сельского хозяйства, робототехники, внутренней навигации, распознавания жестов, сканирования объектов, измерений, наблюдения до дополненной реальности! Применение технологии ToF безгранично.

Вы можете связаться с нами по любым вопросам, связанным с линзами ToF.

Компания Chuang An Optoelectronics специализируется на оптических линзах высокой четкости, чтобы создать идеальный визуальный бренд.

Компания Chuang An Optoelectronics в настоящее время производит множествоTOF-объективытакой как:

CH3651A f3,6 мм F1,2 1/2 дюйма IR850 нм

CH3651B f3,6 мм F1,2 1/2 дюйма IR940 нм

CH3652A f3,3 мм F1,1 1/3 дюйма IR850 нм

CH3652B f3,3 мм F1,1 1/3 дюйма IR940 нм

CH3653A f3,9 мм F1,1 1/3″ IR850нм

CH3653B f3,9 мм F1,1 1/3″ IR940нм

CH3654A f5,0 мм F1,1 1/3 дюйма IR850 нм

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940нм