1. Vad är en time-of-flight-sensor (ToF)?

Vad är en time-of-flight kamera? Är det kameran som fångar planets färd? Har det något med flygplan eller flygplan att göra? Nåväl, det är faktiskt långt kvar!

ToF är ett mått på den tid det tar för ett objekt, en partikel eller en våg att färdas en sträcka. Visste du att fladdermusens ekolod fungerar? Time-of-flight-systemet är liknande!

Det finns många typer av tid-of-flight-sensorer, men de flesta är time-of-flight-kameror och laserskannrar, som använder en teknologi som kallas lidar (ljusdetektering och avstånd) för att mäta djupet av olika punkter i en bild genom att lysa upp den. med infrarött ljus.

Data som genereras och fångas med hjälp av ToF-sensorer är mycket användbar eftersom den kan ge fotgängardetektering, användarautentisering baserad på ansiktsdrag, miljökartläggning med SLAM-algoritmer (samtidig lokalisering och kartläggning) och mer.

Detta system används faktiskt flitigt i robotar, självkörande bilar och även nu din mobila enhet. Om du till exempel använder Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, etc., har din telefon en ToF-kamera!

En ToF-kamera

2. Hur fungerar flygtidssensorn?

Nu vill vi ge en kort introduktion av vad en flygtidssensor är och hur den fungerar.

ToFsensorer använder små lasrar för att avge infrarött ljus, där det resulterande ljuset studsar av alla föremål och återgår till sensorn. Baserat på tidsskillnaden mellan ljusemissionen och återgången till sensorn efter att ha reflekterats av objektet kan sensorn mäta avståndet mellan objektet och sensorn.

Idag kommer vi att utforska två sätt hur ToF använder restid för att bestämma avstånd och djup: att använda tidspulser och att använda fasförskjutning av amplitudmodulerade vågor.

Använd tidsinställda pulser

Till exempel fungerar det genom att belysa ett mål med en laser, sedan mäta det reflekterade ljuset med en skanner och sedan använda ljusets hastighet för att extrapolera objektets avstånd för att exakt beräkna den tillryggalagda sträckan. Dessutom används sedan skillnaden i laserreturtid och våglängd för att göra en exakt digital 3D-representation och ytegenskaper av målet, och visuellt kartlägga dess individuella egenskaper.

Som du kan se ovan skjuts laserljus ut och studsar sedan av föremålet tillbaka till sensorn. Med laserreturtiden kan ToF-kameror mäta exakta avstånd på kort tid givet ljusets hastighet. (ToF konverterar till avstånd) Det här är formeln som en analytiker använder för att komma fram till det exakta avståndet för ett objekt:

(ljushastighet x flygtid) / 2

ToF omvandlas till avstånd

Som du kan se startar timern medan lampan är släckt, och när mottagaren tar emot returljuset kommer timern att returnera tiden. När man subtraherar två gånger erhålls ljusets "flygtid" och ljusets hastighet är konstant, så avståndet kan enkelt beräknas med formeln ovan. På så sätt kan alla punkter på objektets yta bestämmas.

Använd AM-vågens fasförskjutning

Nästa, denToFkan också använda kontinuerliga vågor för att detektera fasförskjutningen av det reflekterade ljuset för att bestämma djup och avstånd.

Fasförskjutning med AM-våg

Genom att modulera amplituden skapar den en sinusformad ljuskälla med en känd frekvens, vilket gör att detektorn kan bestämma fasförskjutningen av det reflekterade ljuset med hjälp av följande formel:

där c är ljusets hastighet (c = 3 × 10^8 m/s), λ är en våglängd (λ = 15 m), och f är frekvensen, varje punkt på sensorn kan enkelt beräknas på djupet.

Alla dessa saker händer väldigt snabbt när vi arbetar med ljusets hastighet. Kan du föreställa dig med vilken precision och hastighet sensorer kan mäta? Låt mig ge ett exempel, ljus färdas med en hastighet av 300 000 kilometer per sekund, om ett föremål är 5m ifrån dig är tidsskillnaden mellan ljuset som lämnar kameran och återvänder cirka 33 nanosekunder, vilket bara motsvarar 0,000000033 sekunder! Wow! För att inte nämna, den infångade datan ger dig en korrekt 3D digital representation för varje pixel i bilden.

Oavsett vilken princip som används kan sensorn bestämma djupet på alla punkter genom att tillhandahålla en ljuskälla som lyser upp hela scenen. Ett sådant resultat ger dig en avståndskarta där varje pixel kodar avståndet till motsvarande punkt i scenen. Följande är ett exempel på en ToF-intervallsgraf:

Ett exempel på en ToF-intervallsgraf

Nu när vi vet att ToF fungerar, varför är det bra? Varför använda det? Vad är de bra för? Oroa dig inte, det finns många fördelar med att använda en ToF-sensor, men självklart finns det vissa begränsningar.

3. Fördelarna med att använda flygtidssensorer

Noggrann och snabb mätning

Jämfört med andra avståndssensorer som ultraljud eller lasrar, kan flygtidssensorer komponera en 3D-bild av en scen mycket snabbt. Till exempel kan en ToF-kamera bara göra detta en gång. Inte bara det, ToF-sensorn kan detektera föremål exakt på kort tid och påverkas inte av fukt, lufttryck och temperatur, vilket gör den lämplig för både inomhus- och utomhusbruk.

lång distans

Eftersom ToF-sensorer använder lasrar kan de även mäta långa avstånd och avstånd med hög noggrannhet. ToF-sensorer är flexibla eftersom de kan upptäcka nära och fjärran föremål av alla former och storlekar.

Det är också flexibelt i den meningen att du kan anpassa systemets optik för optimal prestanda, där du kan välja sändar- och mottagartyper och linser för att få önskat synfält.

Säkerhet

Orolig att lasern frånToFkommer sensorn att skada dina ögon? oroa dig inte! Många ToF-sensorer använder nu en lågeffekts infraröd laser som ljuskälla och driver den med modulerade pulser. Sensorn uppfyller klass 1 lasersäkerhetsstandarder för att säkerställa att den är säker för det mänskliga ögat.

kostnadseffektivt

Jämfört med andra 3D-djupavsökningstekniker som strukturerade ljuskamerasystem eller laseravståndsmätare är ToF-sensorer mycket billigare jämfört med dem.

Trots alla dessa begränsningar är ToF fortfarande mycket pålitlig och en mycket snabb metod för att fånga 3D-information.

4. Begränsningar av ToF

Även om ToF har många fördelar, har det också begränsningar. Några av begränsningarna för ToF inkluderar:

• Spridd ljus

Om mycket ljusa ytor är mycket nära din ToF-sensor kan de sprida för mycket ljus i din mottagare och skapa artefakter och oönskade reflektioner, eftersom din ToF-sensor bara behöver reflektera ljuset när mätningen är klar.

• Flera reflektioner

När du använder ToF-sensorer på hörn och konkava former kan de orsaka oönskade reflektioner, eftersom ljuset kan studsa av flera gånger och förvränga mätningen.

• Omgivande ljus

Att använda ToF-kameran utomhus i starkt solljus kan göra utomhusanvändning svår. Detta beror på den höga intensiteten av solljus som gör att sensorpixlarna snabbt mättas, vilket gör det omöjligt att upptäcka det faktiska ljuset som reflekteras från objektet.

• Slutsatsen

ToF-sensorer ochToF-objektivkan användas i en mängd olika applikationer. Från 3D-kartläggning, industriell automation, hinderdetektering, självkörande bilar, jordbruk, robotteknik, inomhusnavigering, gestigenkänning, objektskanning, mätningar, övervakning till augmented reality! Tillämpningarna av ToF-teknik är oändliga.

Du kan kontakta oss för alla behov av ToF-linser.

Chuang An Optoelectronics fokuserar på optiska högupplösta linser för att skapa ett perfekt visuellt varumärke

Chuang An Optoelectronics har nu producerat en mängd olikaTOF linsersåsom:

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2" IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2" IR940nm

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