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

Ano ang time-of-flight camera? Ito ba ang kamerang kumukuha ng paglipad ng eroplano? May kinalaman ba ito sa mga eroplano o mga eroplano? Aba, malayo pa naman talaga ang mararating nito!

Ang ToF ay isang sukatan ng oras na kinakailangan para sa isang bagay, partikulo, o alon upang maglakbay sa isang distansya. Alam mo ba na gumagana ang sonar system ng isang paniki? Ang time-of-flight system ay katulad din!

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

Ang datos na nabuo at nakukuha gamit ang mga ToF sensor ay lubhang kapaki-pakinabang dahil maaari itong magbigay ng pedestrian detection, user authentication batay sa mga katangian ng mukha, environment mapping gamit ang mga SLAM (simultaneous localization and mapping) algorithm, at marami pang iba.

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

Isang kamerang ToF

2. Paano gumagana ang sensor ng oras ng paglipad?

Ngayon, nais naming magbigay ng maikling panimula kung ano ang isang time-of-flight sensor at kung paano ito gumagana.

ToFGumagamit ang mga sensor ng maliliit na laser upang maglabas ng infrared na ilaw, kung saan ang nagresultang ilaw ay tumatalbog sa anumang bagay at bumabalik sa sensor. Batay sa pagkakaiba ng oras sa pagitan ng paglabas ng ilaw at ng pagbabalik sa sensor pagkatapos itong maaninag ng bagay, maaaring masukat ng sensor ang distansya sa pagitan ng bagay at ng sensor.

Ngayon, ating susuriin ang 2 paraan kung paano ginagamit ng ToF ang travel time upang matukoy ang distansya at lalim: gamit ang timing pulses, at gamit ang phase shifting ng amplitude modulated waves.

Gumamit ng mga naka-time na pulso

Halimbawa, gumagana ito sa pamamagitan ng pag-iilaw sa isang target gamit ang laser, pagkatapos ay pagsukat sa nasasalamin na liwanag gamit ang isang scanner, at pagkatapos ay paggamit ng bilis ng liwanag upang i-extrapolate ang distansya ng bagay upang tumpak na kalkulahin ang distansyang nilakbay. Bukod pa rito, ang pagkakaiba sa oras ng pagbabalik ng laser at wavelength ay ginagamit upang makagawa ng tumpak na digital na 3D na representasyon at mga katangian ng ibabaw ng target, at biswal na imapa ang mga indibidwal na katangian nito.

Gaya ng nakikita mo sa itaas, ang liwanag ng laser ay pinapalabas at pagkatapos ay tumatalbog mula sa bagay pabalik sa sensor. Sa pamamagitan ng oras ng pagbabalik ng laser, ang mga ToF camera ay nakakasukat ng mga tumpak na distansya sa maikling panahon batay sa bilis ng paglalakbay ng liwanag. (Ang ToF ay kino-convert sa distansya) Ito ang pormulang ginagamit ng isang analyst upang makarating sa eksaktong distansya ng isang bagay:

(bilis ng liwanag x oras ng paglipad) / 2

Kino-convert ng ToF ang distansya

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

Gamitin ang phase shift ng AM wave

Susunod, angToFmaaari ring gumamit ng mga tuloy-tuloy na alon upang matukoy ang phase shift ng nasasalamin na liwanag upang matukoy ang lalim at distansya.

Pagbabago ng phase gamit ang AM wave

Sa pamamagitan ng pag-modulate ng amplitude, lumilikha ito ng sinusoidal light source na may kilalang frequency, na nagpapahintulot sa detector na matukoy ang phase shift ng repleksyon ng liwanag 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 frequency, ang bawat punto sa sensor ay madaling kalkulahin nang malalim.

Ang lahat ng mga bagay na ito ay nangyayari nang napakabilis habang tayo ay kumikilos sa bilis ng liwanag. Naiisip mo ba ang katumpakan at bilis na kayang sukatin ng mga sensor? Magbigay ako 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 nanoseconds, na katumbas lamang ng 0.000000033 segundo! Wow! Hindi pa kasama rito, ang nakuhang datos ay magbibigay sa iyo ng tumpak na 3D digital na representasyon para sa bawat pixel sa imahe.

Anuman ang prinsipyong ginamit, ang pagbibigay ng pinagmumulan ng liwanag 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 nagko-code ng distansya sa katumbas na punto sa eksena. Ang sumusunod ay isang halimbawa ng isang ToF range graph:

Isang halimbawa ng graph ng saklaw ng ToF

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

3. Ang mga benepisyo ng paggamit ng mga sensor ng oras-ng-paglipad

Tumpak at mabilis na pagsukat

Kung ikukumpara sa ibang mga distance sensor tulad ng ultrasound o laser, ang mga time-of-flight sensor ay kayang bumuo ng 3D na imahe ng isang eksena nang napakabilis. Halimbawa, isang beses lang ito magagawa ng isang ToF camera. Hindi lang iyon, kayang matukoy ng ToF sensor ang mga bagay nang tumpak sa maikling panahon at hindi apektado ng humidity, presyon ng hangin, at temperatura, kaya angkop ito para sa parehong panloob at panlabas na paggamit.

malayong distansya

Dahil gumagamit ng mga laser ang mga ToF sensor, kaya rin nilang sukatin ang malalayong distansya at saklaw nang may mataas na katumpakan. Ang mga ToF sensor ay flexible dahil nagagawa nilang matukoy ang malapit at malayong mga bagay ng lahat ng hugis at laki.

Ito rin ay flexible sa diwa na kaya mong i-customize ang optika ng sistema para sa pinakamainam na pagganap, kung saan maaari mong piliin ang mga uri at lente ng transmitter at receiver upang makuha ang ninanais na field of view.

Kaligtasan

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

matipid

Kung ikukumpara sa ibang mga teknolohiya sa 3D depth range scanning tulad ng mga structured light camera system o laser rangefinder, ang mga ToF sensor ay mas mura kumpara sa mga ito.

Sa kabila ng lahat ng mga limitasyong ito, ang ToF ay maaasahan pa rin at isang 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. Ilan sa mga limitasyon ng ToF ay kinabibilangan ng:

• Nakakalat na liwanag

Kung ang mga napakaliwanag na ibabaw ay napakalapit sa iyong ToF sensor, maaari itong magkalat ng masyadong maraming liwanag sa iyong receiver at lumikha ng mga artifact at hindi kanais-nais na repleksyon, dahil kailangan lang i-reflect ng iyong ToF sensor ang liwanag kapag handa na ang pagsukat.

• Maramihang repleksyon

Kapag gumagamit ng mga ToF sensor sa mga sulok at malukong na hugis, maaari itong magdulot ng mga hindi gustong repleksyon, dahil ang liwanag ay maaaring tumalbog nang maraming beses, na magpapabago sa sukat.

• Liwanag sa paligid

Ang paggamit ng ToF camera sa labas sa ilalim ng maliwanag na sikat ng araw ay maaaring magpahirap sa paggamit sa labas. Ito ay dahil sa mataas na tindi ng sikat ng araw na nagiging sanhi ng mabilis na paglubog ng mga pixel ng sensor, kaya imposibleng matukoy ang aktwal na liwanag na naaaninag mula sa bagay.

• Ang konklusyon

Mga sensor ng ToF atToF lensmaaaring gamitin sa iba't ibang aplikasyon. Mula sa 3D Mapping, Industrial Automation, Obstacle Detection, Self-Driving Cars, Agrikultura, Robotics, Indoor Navigation, Gesture Recognition, Object Scanning, Measurements, Surveillance hanggang sa Augmented Reality! Walang katapusan ang mga aplikasyon ng teknolohiyang ToF.

Maaari mo kaming kontakin para sa anumang pangangailangan ng mga ToF lens.

Ang Chuang An Optoelectronics ay nakatuon sa mga high-definition optical lens upang lumikha ng isang perpektong visual brand

Ang 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