1. Vad är en Time-of-Flight-sensor (ToF)?

Vad är en flygtidskamera? Är det kameran som fångar planets flygning? Har det något att göra med flygplan eller flygplan? Ja, det är faktiskt långt borta!

ToF är ett mått på den tid det tar för ett objekt, en partikel eller en våg att färdas en sträcka. Visste du att en fladdermuss sonarsystem fungerar? Flygtidssystemet är liknande!

Det finns många typer av flygtidssensorer, men de flesta är flygtidskameror och laserskannrar, som använder en teknik som kallas lidar (ljusdetektering och avståndsmätning) för att mäta djupet på olika punkter i en bild genom att belysa den med infrarött ljus.

Data som genereras och samlas in med ToF-sensorer är mycket användbar eftersom den kan tillhandahålla fotgängardetektering, användarautentisering baserat på ansiktsdrag, miljökartläggning med hjälp av SLAM-algoritmer (samtidig lokalisering och mappning) och mer.

Det här systemet används faktiskt flitigt i robotar, självkörande bilar och även nu även i mobila enheter. 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 till vad en flygtidssensor är och hur den fungerar.

ToFSensorer använder små lasrar för att avge infrarött ljus, där det resulterande ljuset studsar mot ett objekt och återvänder till sensorn. Baserat på tidsskillnaden mellan ljusets utsändning och återkomsten till sensorn efter att ha reflekterats av objektet, kan sensorn mäta avståndet mellan objektet och sensorn.

Idag ska vi utforska två sätt hur ToF använder restid för att bestämma avstånd och djup: med hjälp av tidspulser och med hjälp av 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 avståndet till objektet för att exakt beräkna den tillryggalagda sträckan. Dessutom används skillnaden i laserns återgångstid och våglängd för att skapa en noggrann digital 3D-representation och ytegenskaper hos målet, och visuellt kartlägga dess individuella egenskaper.

Som du kan se ovan avfyras laserljus och studsar sedan tillbaka från objektet till sensorn. Med laserns återgångstid kan ToF-kameror mäta exakta avstånd på kort tid givet ljusets hastighet. (ToF omvandlas till avstånd) Detta är formeln som en analytiker använder för att komma fram till det exakta avståndet till ett objekt:

(ljusets hastighet x flygtid) / 2

ToF omvandlas till avstånd

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

Använd fasförskjutningen för AM-vågen

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

Fasförskjutning med AM-våg

Genom att modulera amplituden skapas en sinusformad ljuskälla med en känd frekvens, vilket gör att detektorn kan bestämma fasförskjutningen för 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, kan varje punkt på sensorn enkelt beräknas på djupet.

Alla dessa saker händer väldigt snabbt eftersom vi arbetar med ljusets hastighet. Kan du föreställa dig precisionen och hastigheten med vilken sensorer kan mäta? Låt mig ge ett exempel, ljus färdas med en hastighet av 300 000 kilometer per sekund, om ett objekt är 5 meter från dig är tidsskillnaden mellan ljusets utflöde och dess återkomst cirka 33 nanosekunder, vilket bara motsvarar 0,000000033 sekunder! Wow! För att inte tala om att den insamlade datan ger dig en korrekt 3D-digital representation för varje pixel i bilden.

Oavsett vilken princip som används, gör en ljuskälla som belyser hela scenen det möjligt för sensorn att bestämma djupet för alla punkter. Ett sådant resultat ger dig en avståndskarta där varje pixel kodar avståndet till motsvarande punkt i scenen. Följande är ett exempel på en ToF-avståndsgraf:

Ett exempel på en ToF-intervallgraf

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 det finns naturligtvis vissa begränsningar.

3. Fördelarna med att använda flygtidssensorer

Noggrann och snabb mätning

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

långdistans

Eftersom ToF-sensorer använder lasrar kan de också mäta långa avstånd och räckvidder med hög noggrannhet. ToF-sensorer är flexibla eftersom de kan upptäcka nära och avlägsna objekt i 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 samt 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 lasersäkerhetsstandarder av klass 1 för att säkerställa att den är säker för det mänskliga ögat.

kostnadseffektiv

Jämfört med andra 3D-djupskanningstekniker, såsom strukturerade ljuskamerasystem eller laseravståndsmätare, är ToF-sensorer mycket billigare.

Trots alla dessa begränsningar är ToF fortfarande mycket tillförlitlig 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 med ToF inkluderar:

• Spridda ljus

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

• Flera reflektioner

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

• Omgivande ljus

Att använda ToF-kameran utomhus i starkt solljus kan göra det svårt att använda den utomhus. Detta beror på att solljusets höga intensitet gör att sensorns pixlar snabbt mättas, vilket gör det omöjligt att detektera det faktiska ljuset som reflekteras från objektet.

• Slutsatsen

ToF-sensorer ochToF-objektivkan användas i en mängd olika tillämpningar. Från 3D-kartläggning, industriell automation, hinderdetektering, självkörande bilar, jordbruk, robotik, inomhusnavigering, gestigenkänning, objektskanning, mätningar, övervakning till förstärkt verklighet! Tillämpningarna av ToF-tekniken är oändliga.

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

Chuang An Optoelectronics fokuserar på HD-optiska 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