1. เซ็นเซอร์ Time-of-Flight (ToF) คืออะไร

กล้องแสดงเวลาการบินคืออะไร? เป็นกล้องที่บันทึกการบินของเครื่องบินหรือไม่? มีอะไรเกี่ยวข้องกับเครื่องบินหรือเครื่องบินหรือไม่? จริงๆแล้วระยะทางยังอีกยาวไกล!

ToF คือการวัดเวลาที่วัตถุ อนุภาค หรือคลื่นใช้เดินทางในระยะทางหนึ่ง คุณรู้หรือไม่ว่าระบบโซนาร์ของค้างคาวใช้งานได้ ระบบเวลาบินก็คล้ายกัน!

เซ็นเซอร์บอกเวลาบินมีหลายประเภท แต่ส่วนใหญ่เป็นกล้องบอกเวลาบินและเครื่องสแกนเลเซอร์ ซึ่งใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่าลิดาร์ (การตรวจจับและกำหนดช่วงแสง) เพื่อวัดความลึกของจุดต่างๆ ในภาพด้วยการส่องแสง ด้วยแสงอินฟราเรด

ข้อมูลที่สร้างและบันทึกโดยใช้เซ็นเซอร์ ToF มีประโยชน์มาก เนื่องจากสามารถตรวจจับคนเดินถนน การตรวจสอบผู้ใช้ตามลักษณะใบหน้า การทำแผนที่สภาพแวดล้อมโดยใช้อัลกอริธึม SLAM (การแปลและการทำแผนที่พร้อมกัน) และอื่นๆ อีกมากมาย

จริงๆ แล้วระบบนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในหุ่นยนต์ รถยนต์ไร้คนขับ และแม้แต่ในอุปกรณ์มือถือของคุณในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ ฯลฯ โทรศัพท์ของคุณมีกล้อง ToF!

กล้อง ToF

2. เซ็นเซอร์เวลาบินทำงานอย่างไร?

ตอนนี้ เราอยากจะให้ข้อมูลเบื้องต้นสั้นๆ ว่าเซ็นเซอร์เวลาบินคืออะไรและทำงานอย่างไร

ทีโอเอฟเซ็นเซอร์ใช้เลเซอร์ขนาดเล็กเพื่อปล่อยแสงอินฟราเรด ซึ่งแสงที่ได้จะสะท้อนจากวัตถุใดๆ และกลับไปยังเซ็นเซอร์ ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของเวลาระหว่างการปล่อยแสงและการย้อนกลับไปยังเซ็นเซอร์หลังจากถูกสะท้อนจากวัตถุ เซ็นเซอร์สามารถวัดระยะห่างระหว่างวัตถุและเซ็นเซอร์ได้

วันนี้เราจะสำรวจ 2 วิธีที่ ToF ใช้เวลาเดินทางเพื่อกำหนดระยะทางและความลึก: การใช้พัลส์ไทม์มิ่ง และการใช้การเปลี่ยนเฟสของคลื่นมอดูเลตแอมพลิจูด

ใช้พัลส์แบบกำหนดเวลา

ตัวอย่างเช่น ทำงานโดยการส่องสว่างเป้าหมายด้วยเลเซอร์ จากนั้นวัดแสงที่สะท้อนด้วยเครื่องสแกน จากนั้นใช้ความเร็วแสงเพื่อคาดการณ์ระยะทางของวัตถุเพื่อคำนวณระยะทางที่เคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ ความแตกต่างของเวลาส่งคืนเลเซอร์และความยาวคลื่นจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างการแสดงภาพ 3 มิติแบบดิจิทัลที่แม่นยำและลักษณะพื้นผิวของชิ้นงาน และแสดงแผนผังคุณลักษณะแต่ละอย่างด้วยสายตา

ดังที่คุณเห็นข้างต้น แสงเลเซอร์จะยิงออกไปแล้วสะท้อนวัตถุกลับไปที่เซ็นเซอร์ ด้วยเวลาสะท้อนกลับของเลเซอร์ กล้อง ToF จึงสามารถวัดระยะทางที่แม่นยำในช่วงเวลาสั้นๆ ตามความเร็วการเคลื่อนที่ของแสง (ToF แปลงเป็นระยะทาง) นี่คือสูตรที่นักวิเคราะห์ใช้เพื่อให้ได้ระยะทางที่แน่นอนของวัตถุ:

(ความเร็วแสง x เวลาบิน) / 2

ToF แปลงเป็นระยะทาง

อย่างที่คุณเห็น ตัวจับเวลาจะเริ่มขึ้นในขณะที่ไฟดับ และเมื่อเครื่องรับได้รับไฟย้อนกลับ ตัวจับเวลาจะย้อนเวลากลับไป เมื่อลบสองครั้ง จะได้ “เวลาบิน” ของแสง และความเร็วแสงจะคงที่ ดังนั้นจึงสามารถคำนวณระยะทางได้อย่างง่ายดายโดยใช้สูตรด้านบน ด้วยวิธีนี้จึงสามารถกำหนดจุดทั้งหมดบนพื้นผิวของวัตถุได้

ใช้การเปลี่ยนเฟสของคลื่น AM

ต่อไปทีโอเอฟนอกจากนี้ยังสามารถใช้คลื่นต่อเนื่องเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนเฟสของแสงสะท้อนเพื่อกำหนดความลึกและระยะทาง

การเปลี่ยนเฟสโดยใช้คลื่น AM

ด้วยการปรับแอมพลิจูด จะสร้างแหล่งกำเนิดแสงไซน์ซอยด์ด้วยความถี่ที่ทราบ ช่วยให้เครื่องตรวจจับสามารถกำหนดการเปลี่ยนเฟสของแสงที่สะท้อนได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

โดยที่ c คือความเร็วแสง (c = 3 × 10^8 m/s), แลมบ์คือความยาวคลื่น (แลมบ์ = 15 ม.) และ f คือความถี่ แต่ละจุดบนเซนเซอร์สามารถคำนวณในเชิงลึกได้อย่างง่ายดาย

สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเร็วมากเมื่อเราทำงานด้วยความเร็วแสง คุณลองจินตนาการถึงความแม่นยำและความเร็วที่เซ็นเซอร์สามารถวัดได้หรือไม่ ผมขอยกตัวอย่าง แสงเดินทางด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าวัตถุอยู่ห่างจากคุณ 5 เมตร ความแตกต่างของเวลาระหว่างแสงที่ออกจากกล้องกับการกลับมาคือประมาณ 33 นาโนวินาที ซึ่งเท่ากับ 0.000000033 วินาทีเท่านั้น! ว้าว! ไม่ต้องพูดถึง ข้อมูลที่บันทึกไว้จะให้การแสดงภาพดิจิทัล 3 มิติที่แม่นยำสำหรับทุกพิกเซลในภาพ

โดยไม่คำนึงถึงหลักการที่ใช้ การจัดหาแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องสว่างทั่วทั้งฉากช่วยให้เซ็นเซอร์สามารถกำหนดความลึกของจุดทั้งหมดได้ ผลลัพธ์ดังกล่าวจะให้แผนที่ระยะทาง โดยแต่ละพิกเซลจะเข้ารหัสระยะทางไปยังจุดที่สอดคล้องกันในฉาก ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของกราฟช่วง ToF:

ตัวอย่างกราฟช่วง ToF

ตอนนี้เรารู้แล้วว่า ToF ใช้งานได้ ทำไมมันถึงดี? ทำไมต้องใช้มัน? พวกเขามีประโยชน์อะไร? ไม่ต้องกังวล การใช้เซ็นเซอร์ ToF มีข้อดีมากมาย แต่แน่นอนว่ายังมีข้อจำกัดอยู่บ้าง

3. ประโยชน์ของการใช้เซ็นเซอร์บอกเวลาการบิน

การวัดที่แม่นยำและรวดเร็ว

เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์วัดระยะอื่นๆ เช่น อัลตราซาวนด์หรือเลเซอร์ เซ็นเซอร์เวลาบินสามารถจัดองค์ประกอบภาพ 3 มิติของฉากได้อย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น กล้อง ToF สามารถทำได้เพียงครั้งเดียว ไม่เพียงเท่านั้น เซ็นเซอร์ ToF ยังสามารถตรวจจับวัตถุได้อย่างแม่นยำในเวลาอันสั้น และไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้น ความกดอากาศ และอุณหภูมิ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทั้งในร่มและกลางแจ้ง

ระยะทางไกล

เนื่องจากเซ็นเซอร์ ToF ใช้เลเซอร์ จึงสามารถวัดระยะทางและช่วงระยะไกลได้อย่างแม่นยำสูง เซ็นเซอร์ ToF มีความยืดหยุ่นเนื่องจากสามารถตรวจจับวัตถุใกล้และไกลทุกรูปทรงและขนาด

นอกจากนี้ยังมีความยืดหยุ่นในแง่ที่ว่าคุณสามารถปรับแต่งออปติกของระบบเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด โดยคุณสามารถเลือกประเภทตัวส่งและตัวรับและเลนส์เพื่อให้ได้ขอบเขตการมองเห็นที่ต้องการ

ความปลอดภัย

กังวลว่าเลเซอร์จากทีโอเอฟเซ็นเซอร์จะทำร้ายดวงตาคุณ? ไม่ต้องกังวล! ขณะนี้เซ็นเซอร์ ToF จำนวนมากใช้เลเซอร์อินฟราเรดพลังงานต่ำเป็นแหล่งกำเนิดแสงและขับเคลื่อนด้วยพัลส์มอดูเลต เซ็นเซอร์เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยของเลเซอร์คลาส 1 เพื่อให้แน่ใจว่าปลอดภัยต่อสายตามนุษย์

คุ้มค่า

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการสแกนช่วงความลึก 3 มิติอื่นๆ เช่น ระบบกล้องจัดแสงที่มีโครงสร้างหรือเครื่องหาระยะด้วยเลเซอร์ เซ็นเซอร์ ToF จะมีราคาถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเหล่านั้น

แม้จะมีข้อจำกัดเหล่านี้ ToF ก็ยังคงเชื่อถือได้มากและเป็นวิธีจับภาพข้อมูล 3 มิติที่รวดเร็วมาก

4. ข้อจำกัดของ ToF

แม้ว่า ToF จะมีประโยชน์มากมาย แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ข้อจำกัดบางประการของ ToF ได้แก่:

• แสงกระจัดกระจาย

หากพื้นผิวที่สว่างมากอยู่ใกล้กับเซ็นเซอร์ ToF ของคุณมาก พื้นผิวอาจกระจายแสงมากเกินไปไปยังตัวรับสัญญาณของคุณ และสร้างสิ่งประดิษฐ์และการสะท้อนที่ไม่ต้องการ เนื่องจากเซ็นเซอร์ ToF ของคุณจะต้องสะท้อนแสงเมื่อการวัดพร้อมเท่านั้น

• การสะท้อนกลับหลายครั้ง

เมื่อใช้เซ็นเซอร์ ToF ที่มุมและรูปทรงเว้า เซ็นเซอร์เหล่านี้อาจทำให้เกิดการสะท้อนที่ไม่ต้องการได้ เนื่องจากแสงสามารถสะท้อนกลับได้หลายครั้ง ส่งผลให้การวัดบิดเบี้ยว

• แสงโดยรอบ

การใช้กล้อง ToF กลางแจ้งท่ามกลางแสงแดดจ้าอาจทำให้การใช้งานกลางแจ้งทำได้ยาก เนื่องจากความเข้มของแสงแดดที่สูงทำให้พิกเซลของเซนเซอร์อิ่มตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ไม่สามารถตรวจจับแสงที่สะท้อนจากวัตถุได้จริง

• ข้อสรุป

เซ็นเซอร์ ToF และเลนส์ ToFสามารถใช้งานได้หลากหลาย ตั้งแต่การทำแผนที่ 3 มิติ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การตรวจจับสิ่งกีดขวาง รถยนต์ไร้คนขับ เกษตรกรรม หุ่นยนต์ การนำทางในอาคาร การจดจำท่าทาง การสแกนวัตถุ การวัด การเฝ้าระวัง ไปจนถึงความเป็นจริงเสริม! การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี ToF ไม่มีที่สิ้นสุด

คุณสามารถติดต่อเราหากต้องการเลนส์ ToF

Chuang An Optoelectronics มุ่งเน้นไปที่เลนส์ออปติคัลความละเอียดสูงเพื่อสร้างแบรนด์ภาพที่สมบูรณ์แบบ

ปัจจุบันจวงอันออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายเลนส์ทีโอเอฟเช่น:

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