1. Ano ang time-of-flight (ToF) sensor?

Ano ang time-of-flight camera? Ang camera ba ang kumukuha ng paglipad ng eroplano? May kinalaman ba ito sa mga eroplano o eroplano? Well, malayo pa talaga!

Ang ToF ay isang sukatan ng oras na kinakailangan para sa isang bagay, particle o alon upang maglakbay sa isang distansya. Alam mo ba na gumagana ang sonar system ng paniki? Ang sistema ng oras ng paglipad ay magkatulad!

Maraming uri ng time-of-flight sensor, ngunit karamihan ay mga time-of-flight camera at laser scanner, na gumagamit ng teknolohiyang tinatawag na lidar (light detection at ranging) upang sukatin ang lalim ng iba't ibang punto sa isang imahe sa pamamagitan ng pagpapakinang nito na may infrared na ilaw.

Ang data na nabuo at nakuha gamit ang mga sensor ng ToF ay lubhang kapaki-pakinabang dahil maaari itong magbigay ng pagtukoy ng pedestrian, pagpapatunay ng user batay sa mga tampok ng mukha, pagmamapa ng kapaligiran gamit ang mga algorithm ng SLAM (sabay-sabay na lokalisasyon at pagmamapa), at higit pa.

Ang sistemang ito ay talagang malawakang ginagamit sa mga robot, self-driving na mga kotse, at kahit ngayon sa iyong mobile device. Halimbawa, kung gumagamit ka ng Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, atbp., may ToF camera ang iyong telepono!

Isang ToF camera

2. Paano gumagana ang time-of-flight sensor?

Ngayon, gusto naming magbigay ng maikling pagpapakilala kung ano ang sensor ng oras ng paglipad at kung paano ito gumagana.

ToFang mga sensor ay gumagamit ng maliliit na laser upang maglabas ng infrared na ilaw, kung saan ang nagreresultang liwanag ay tumalbog sa anumang bagay at bumalik sa sensor. Batay sa pagkakaiba ng oras sa pagitan ng paglabas ng liwanag at pagbabalik sa sensor pagkatapos na maipakita ng bagay, masusukat ng sensor ang distansya sa pagitan ng bagay at ng sensor.

Ngayon, tutuklasin natin ang 2 paraan kung paano ginagamit ng ToF ang oras ng paglalakbay upang matukoy ang distansya at lalim : gamit ang mga timing pulse, at paggamit ng phase shifting ng amplitude modulated waves.

Gumamit ng mga naka-time na pulso

Halimbawa, ito ay gumagana sa pamamagitan ng pag-iilaw sa isang target gamit ang isang laser, pagkatapos ay pagsukat ng masasalamin na liwanag gamit ang isang scanner, at pagkatapos ay gamit ang bilis ng liwanag upang i-extrapolate ang distansya ng bagay upang tiyak na kalkulahin ang distansya na nilakbay. Bilang karagdagan, ang pagkakaiba sa oras ng pagbabalik ng laser at wavelength ay ginagamit upang makagawa ng tumpak na digital 3D na representasyon at mga feature sa ibabaw ng target, at biswal na imapa ang mga indibidwal na tampok nito.

Tulad ng nakikita mo sa itaas, ang ilaw ng laser ay pinaputok at pagkatapos ay tumalbog ang bagay pabalik sa sensor. Sa oras ng pagbabalik ng laser, nasusukat ng mga ToF camera ang mga tumpak na distansya sa maikling panahon dahil sa bilis ng liwanag na paglalakbay. (Ang ToF ay nagko-convert sa distansya) Ito ang formula na ginagamit ng isang analyst upang makarating sa eksaktong distansya ng isang bagay:

(bilis ng liwanag x oras ng paglipad) / 2

Ang ToF ay nagko-convert sa distansya

Gaya ng nakikita mo, magsisimula ang timer habang patay ang ilaw, at kapag natanggap ng receiver ang return light, ibabalik ng timer ang oras. Kapag nagbawas ng dalawang beses, ang "oras ng paglipad" ng liwanag ay nakuha, at ang bilis ng liwanag ay pare-pareho, kaya ang distansya ay madaling kalkulahin gamit ang formula sa itaas. Sa ganitong paraan, matutukoy ang lahat ng mga punto sa ibabaw ng bagay.

Gamitin ang phase shift ng AM wave

Susunod, angToFmaaari ring gumamit ng tuloy-tuloy na mga alon upang makita ang pagbabago ng bahagi ng sinasalamin na liwanag upang matukoy ang lalim at distansya.

Phase shift gamit ang AM wave

Sa pamamagitan ng modulate ng amplitude, lumilikha ito ng sinusoidal light source na may kilalang frequency, na nagpapahintulot sa detector na matukoy ang phase shift ng reflected light gamit ang sumusunod na formula:

kung saan ang c ay ang bilis ng liwanag (c = 3 × 10^8 m/s), ang λ ay isang wavelength (λ = 15 m), at ang f ay ang dalas, ang bawat punto sa sensor ay madaling makalkula nang malalim.

Ang lahat ng mga bagay na ito ay nangyayari nang napakabilis habang nagtatrabaho tayo sa bilis ng liwanag. Naiisip mo ba ang katumpakan at bilis kung saan nasusukat ng mga sensor? Hayaan akong magbigay ng isang halimbawa, ang liwanag ay naglalakbay sa bilis na 300,000 kilometro bawat segundo, kung ang isang bagay ay 5m ang layo mula sa iyo, ang pagkakaiba ng oras sa pagitan ng liwanag na umaalis sa camera at bumabalik ay humigit-kumulang 33 nanosecond, na katumbas lamang ng 0.000000033 segundo! Wow! Hindi banggitin, ang nakuhang data ay magbibigay sa iyo ng tumpak na 3D digital na representasyon para sa bawat pixel sa larawan.

Anuman ang prinsipyong ginamit, ang pagbibigay ng ilaw na pinagmumulan na nagbibigay-liwanag sa buong eksena ay nagbibigay-daan sa sensor na matukoy ang lalim ng lahat ng mga punto. Ang ganitong resulta ay nagbibigay sa iyo ng isang mapa ng distansya kung saan ang bawat pixel ay nag-encode ng distansya sa kaukulang punto sa eksena. Ang sumusunod ay isang halimbawa ng isang graph ng saklaw ng ToF:

Isang halimbawa ng graph ng saklaw ng ToF

Ngayong alam na natin na gumagana ang ToF, bakit ito maganda? Bakit gamitin ito? Para saan ang mga ito? Huwag mag-alala, maraming mga pakinabang sa paggamit ng ToF sensor, ngunit siyempre may ilang mga limitasyon.

3. Ang mga benepisyo ng paggamit ng time-of-flight sensors

Tumpak at mabilis na pagsukat

Kung ikukumpara sa iba pang mga sensor ng distansya gaya ng ultrasound o mga laser, ang mga sensor ng oras ng paglipad ay nakakagawa ng isang 3D na imahe ng isang eksena nang napakabilis. Halimbawa, magagawa ito ng isang ToF camera nang isang beses lang. Hindi lamang iyon, ang ToF sensor ay nakakatuklas ng mga bagay nang tumpak sa maikling panahon at hindi apektado ng halumigmig, presyon ng hangin at temperatura, na ginagawa itong angkop para sa parehong panloob at panlabas na paggamit.

mahabang distansya

Dahil ang mga ToF sensor ay gumagamit ng mga laser, ang mga ito ay may kakayahang sumukat ng mga malalayong distansya at mga saklaw na may mataas na katumpakan. Ang mga sensor ng ToF ay nababaluktot dahil nagagawa nilang makakita ng malapit at malayong mga bagay sa lahat ng hugis at sukat.

Nababaluktot din ito sa kahulugan na nagagawa mong i-customize ang mga optika ng system para sa pinakamainam na pagganap, kung saan maaari mong piliin ang mga uri at lente ng transmitter at receiver upang makuha ang nais na larangan ng pagtingin.

Kaligtasan

Nag-aalala na ang laser mula saToFsasakit sa mata mo ang sensor? wag kang mag alala! Maraming ToF sensor ang gumagamit na ngayon ng low-power infrared laser bilang pinagmumulan ng liwanag at hinihimok ito ng mga modulated pulse. Natutugunan ng sensor ang mga pamantayan sa kaligtasan ng Class 1 laser upang matiyak na ligtas ito sa mata ng tao.

epektibo sa gastos

Kung ikukumpara sa iba pang mga teknolohiya sa pag-scan ng 3D depth range tulad ng mga structured light camera system o laser rangefinder, ang mga ToF sensor ay mas mura kumpara sa kanila.

Sa kabila ng lahat ng mga limitasyong ito, ang ToF ay maaasahan pa rin at napakabilis na paraan ng pagkuha ng 3D na impormasyon.

4. Mga Limitasyon ng ToF

Bagama't maraming benepisyo ang ToF, mayroon din itong mga limitasyon. Ang ilan sa mga limitasyon ng ToF ay kinabibilangan ng:

• Nakakalat na liwanag

Kung napakalapit ng mga napakaliwanag na surface sa iyong ToF sensor, maaari silang magkalat ng masyadong maraming ilaw sa iyong receiver at lumikha ng mga artifact at hindi gustong mga reflection, dahil kailangan lang ipakita ng iyong ToF sensor ang liwanag kapag handa na ang pagsukat.

• Maramihang pagmuni-muni

Kapag gumagamit ng mga sensor ng ToF sa mga sulok at malukong na hugis, maaari silang magdulot ng mga hindi gustong pagmuni-muni, dahil maaaring tumalbog ang ilaw nang maraming beses, na nakakasira sa pagsukat.

• Ilaw sa paligid

Ang paggamit ng ToF camera sa labas sa maliwanag na sikat ng araw ay maaaring maging mahirap sa panlabas na paggamit. Ito ay dahil sa mataas na intensity ng sikat ng araw na nagiging sanhi ng mga pixel ng sensor upang mabilis na mababad, na ginagawang imposibleng makita ang aktwal na liwanag na nasasalamin mula sa bagay.

• Ang konklusyon

Mga sensor ng ToF atToF lensmaaaring magamit sa iba't ibang mga aplikasyon. Mula sa 3D Mapping, Industrial Automation, Obstacle Detection, Self-Driving Cars, Agriculture, Robotics, Indoor Navigation, Gesture Recognition, Object Scanning, Measurements, Surveillance to Augmented Reality! Ang mga aplikasyon ng teknolohiya ng ToF ay walang katapusan.

Maaari kang makipag-ugnayan sa amin para sa anumang pangangailangan ng ToF lens.

Nakatuon ang Chuang An Optoelectronics sa mga high-definition na optical lens para lumikha ng perpektong visual na brand

Chuang An Optoelectronics ay nakagawa na ngayon ng iba't-ibangMga lente ng TOFtulad ng:

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