1. Что такое датчик времени пролета (ToF)?

Что такое камера, измеряющая время пролета? Это камера, которая фиксирует полет самолета? Имеет ли она какое-либо отношение к самолетам или самолетам? На самом деле, до этого еще далеко!

ToF (Time-of-Flight) — это мера времени, необходимого объекту, частице или волне для прохождения определенного расстояния. А вы знали, что система сонара у летучей мыши работает аналогично? Система измерения времени пролета работает по тому же принципу!

Существует множество типов датчиков времени пролета, но большинство из них — это камеры и лазерные сканеры, использующие технологию лидара (обнаружение и определение дальности с помощью света) для измерения глубины различных точек на изображении путем облучения его инфракрасным светом.

Данные, генерируемые и собираемые с помощью датчиков ToF, очень полезны, поскольку позволяют обнаруживать пешеходов, аутентифицировать пользователей на основе черт лица, составлять карты окружающей среды с использованием алгоритмов SLAM (одновременная локализация и картографирование) и многое другое.

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

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, который отражается от любого объекта и возвращается к датчику. На основе разницы во времени между излучением света и его возвращением к датчику после отражения от объекта, датчик может измерить расстояние между объектом и датчиком.

Сегодня мы рассмотрим два способа, с помощью которых метод времени пролета (ToF) использует время распространения сигнала для определения расстояния и глубины: с помощью синхронизирующих импульсов и с помощью сдвига фазы амплитудно-модулированных волн.

Используйте импульсы с заданной длительностью.

Например, принцип работы заключается в том, что цель освещается лазером, затем отраженный свет измеряется сканером, а скорость света используется для экстраполяции расстояния до объекта и точного расчета пройденного расстояния. Кроме того, разница во времени отражения лазерного луча и длине волны используется для создания точного цифрового 3D-изображения и характеристик поверхности цели, а также для визуального отображения ее отдельных особенностей.

Как видно на изображении выше, лазерный луч испускается, а затем отражается от объекта и возвращается к датчику. Благодаря времени возврата лазерного луча, камеры ToF способны измерять точные расстояния за короткий промежуток времени, учитывая скорость распространения света. (ToF переводит в расстояние) Вот формула, которую аналитик использует для определения точного расстояния до объекта:

(скорость света × время полета) / 2

ToF преобразуется в расстояние

Как видите, таймер запустится, когда 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, используя приведенную выше формулу. Таким образом, можно определить все точки на поверхности объекта.

Используйте фазовый сдвиг волны AM.

Далее,ToFТакже можно использовать непрерывные волны для обнаружения фазового сдвига отраженного света с целью определения глубины и расстояния.

Фазовый сдвиг с использованием АМ-волны

Путем модуляции амплитуды создается синусоидальный источник света с известной частотой, что позволяет детектору определять фазовый сдвиг отраженного света с помощью следующей формулы:

где c — скорость света (c = 3 × 10^8 м/с), λ — длина волны (λ = 15 м), а f — частота, глубину каждой точки на датчике можно легко рассчитать.

Все эти процессы происходят очень быстро, поскольку мы работаем со скоростью света. Можете ли вы представить себе точность и скорость измерений, которые способны обеспечить датчики? Приведу пример: свет распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду. Если объект находится на расстоянии 5 метров от вас, разница во времени между моментом, когда свет покидает камеру, и моментом, когда он возвращается, составляет около 33 наносекунд, что эквивалентно всего 0,000000033 секунды! Удивительно! Не говоря уже о том, что полученные данные обеспечат точное трехмерное цифровое представление каждого пикселя изображения.

Независимо от используемого принципа, наличие источника света, освещающего всю сцену, позволяет датчику определять глубину всех точек. В результате получается карта расстояний, где каждый пиксель кодирует расстояние до соответствующей точки в сцене. Ниже приведен пример графика дальности ToF:

Пример графика дальности ToF.

Теперь, когда мы знаем, как работает ToF-датчик, почему он хорош? Зачем его использовать? Для чего он нужен? Не волнуйтесь, у использования ToF-датчика много преимуществ, но, конечно, есть и некоторые ограничения.

3. Преимущества использования датчиков времени пролета

Точное и быстрое измерение

По сравнению с другими датчиками расстояния, такими как ультразвук или лазеры, датчики времени пролета способны очень быстро создавать трехмерное изображение сцены. Например, камера ToF может сделать это всего за один раз. Более того, датчик ToF способен точно обнаруживать объекты за короткое время и не подвержен влиянию влажности, атмосферного давления и температуры, что делает его пригодным как для использования в помещении, так и на открытом воздухе.

дальнее расстояние

Поскольку датчики ToF используют лазеры, они также способны измерять большие расстояния и дальности с высокой точностью. Датчики ToF универсальны, поскольку способны обнаруживать объекты любой формы и размера как вблизи, так и вдали от объекта.

Она также отличается гибкостью 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

Обеспокоен тем, что лазер изToFДатчик может повредить глаза? Не беспокойтесь! Многие датчики ToF теперь используют маломощный инфракрасный лазер в качестве источника света и управляют им с помощью модулированных импульсов. Датчик соответствует стандартам лазерной безопасности класса 1, что гарантирует его безопасность для человеческого глаза.

экономически эффективный

По сравнению с другими технологиями трехмерного сканирования глубины, такими как системы структурированного света или лазерные дальномеры, датчики ToF значительно дешевле.

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

4. Ограничения ToF

Несмотря на множество преимуществ, метод ToF также имеет свои ограничения. К числу ограничений метода ToF относятся:

• Рассеянный свет

Если очень яркие поверхности находятся в непосредственной близости от датчика ToF, они могут рассеивать слишком много света в приемник, создавая артефакты и нежелательные отражения, поскольку датчику ToF нужно отразить свет только тогда, когда измерение будет готово.

• Многократные отражения

При использовании ToF-датчиков на углах и вогнутых поверхностях могут возникать нежелательные отражения, поскольку свет может многократно отражаться, искажая измерения.

• Рассеянный свет

Использование ToF-камеры на открытом воздухе при ярком солнечном свете может быть затруднено. Это связано с высокой интенсивностью солнечного света, вызывающей быстрое насыщение пикселей сенсора, что делает невозможным обнаружение фактического света, отраженного от объекта.

• Заключение

Датчики ToF иОбъектив ToFТехнология ToF может использоваться в самых разных областях. От 3D-картографирования, промышленной автоматизации, обнаружения препятствий, беспилотных автомобилей, сельского хозяйства, робототехники, навигации внутри помещений, распознавания жестов, сканирования объектов, измерений и видеонаблюдения до дополненной реальности! Области применения технологии ToF безграничны.

Вы можете связаться с нами по любым вопросам, касающимся линз ToF.

Компания Chuang An Optoelectronics специализируется на оптических линзах высокого разрешения для создания идеального визуального бренда.

Компания Chuang An Optoelectronics в настоящее время производит широкий ассортимент продукции.TOF-линзытакой как:

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

CH3651B f3,6 мм F1,2 1/2″ IR940нм

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 дюйма IR850 нм

CH3653B f3,9 мм F1,1 1/3 дюйма IR940 нм

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm