1. Що таке датчик часу прольоту (ToF)?

Що таке камера часу польоту? Це камера знімає політ літака? Це має відношення до літаків чи літаків? Ну, це насправді далеко!

ToF — це міра часу, який необхідний об’єкту, частинці або хвилі для проходження відстані. Чи знаєте ви, що гідролокаційна система кажана працює? Система часу польоту схожа!

Існує багато різновидів датчиків часу прольоту, але більшість із них – це камери вимірювання часу прольоту та лазерні сканери, які використовують технологію під назвою lidar (виявлення світла та визначення діапазону) для вимірювання глибини різних точок на зображенні, освітлюючи його з інфрачервоним світлом.

Дані, згенеровані та отримані за допомогою датчиків ToF, дуже корисні, оскільки вони можуть забезпечити виявлення пішоходів, автентифікацію користувача на основі рис обличчя, картографування середовища за допомогою алгоритмів SLAM (одночасна локалізація та картографування) тощо.

Ця система насправді широко використовується в роботах, безпілотних автомобілях і навіть тепер у ваших мобільних пристроях. Наприклад, якщо ви використовуєте Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ тощо, у вашому телефоні є камера ToF!

Камера ToF

2. Як працює датчик часу прольоту?

Тепер ми хотіли б коротко розповісти про те, що таке датчик часу прольоту та як він працює.

ToFдатчики використовують крихітні лазери для випромінювання інфрачервоного світла, де отримане світло відбивається від будь-якого об’єкта та повертається до датчика. На основі різниці в часі між випромінюванням світла та поверненням до датчика після відбиття об’єктом датчик може вимірювати відстань між об’єктом і датчиком.

Сьогодні ми розглянемо 2 способи, як ToF використовує час подорожі для визначення відстані та глибини: за допомогою синхронізуючих імпульсів і за допомогою фазового зсуву амплітудно-модульованих хвиль.

Використовуйте часові імпульси

Наприклад, він освітлює ціль лазером, потім вимірює відбите світло за допомогою сканера, а потім використовує швидкість світла для екстраполяції відстані до об’єкта для точного обчислення пройденої відстані. Крім того, різниця в часі повернення лазера та довжині хвилі потім використовується для створення точного цифрового тривимірного представлення та характеристик поверхні цілі та візуального відображення її окремих особливостей.

Як ви бачите вище, лазерне світло випромінюється, а потім відбивається від об’єкта назад до датчика. Завдяки часу повернення лазера камери ToF здатні вимірювати точні відстані за короткий період часу, враховуючи швидкість поширення світла. (ToF перетворюється на відстань) Це формула, яку використовує аналітик, щоб отримати точну відстань до об’єкта:

(швидкість світла х час польоту) / 2

ToF перетворюється на відстань

Як ви можете бачити, таймер запуститься, коли світло вимкнено, і коли приймач отримає зворотне світло, таймер поверне час. При подвійному відніманні виходить «час польоту» світла, а швидкість світла постійна, тому відстань можна легко обчислити за наведеною вище формулою. Таким чином можна визначити всі точки на поверхні предмета.

Використовуйте зсув фази АМ-хвилі

Далі,ToFтакож може використовувати безперервні хвилі для виявлення зсуву фази відбитого світла для визначення глибини та відстані.

Фазовий зсув за допомогою AM хвилі

Модулюючи амплітуду, він створює синусоїдальне джерело світла з відомою частотою, що дозволяє детектору визначати зсув фази відбитого світла за такою формулою:

де c — швидкість світла (c = 3 × 10^8 м/с), λ — довжина хвилі (λ = 15 м), f — частота, кожну точку на датчику можна легко обчислити в глибину.

Усе це відбувається дуже швидко, оскільки ми працюємо зі швидкістю світла. Чи можете ви уявити точність і швидкість, з якою датчики здатні вимірювати? Дозвольте мені навести приклад, світло поширюється зі швидкістю 300 000 кілометрів на секунду, якщо об’єкт знаходиться на відстані 5 метрів від вас, різниця в часі між світлом, що виходить з камери, і повертається приблизно 33 наносекунди, що еквівалентно лише 0,000000033 секунди! Вау! Не кажучи вже про те, що отримані дані дадуть вам точне 3D-цифрове представлення кожного пікселя зображення.

Незалежно від використовуваного принципу, джерело світла, яке освітлює всю сцену, дозволяє датчику визначати глибину всіх точок. Такий результат дає вам карту відстані, де кожен піксель кодує відстань до відповідної точки сцени. Нижче наведено приклад графіка діапазону ToF:

Приклад графіка діапазону ToF

Тепер, коли ми знаємо, що ToF працює, чому це добре? Навіщо це використовувати? Чим вони корисні? Не хвилюйтеся, використання датчика ToF має багато переваг, але, звичайно, є деякі обмеження.

3. Переваги використання датчиків часу прольоту

Точне та швидке вимірювання

Порівняно з іншими датчиками відстані, такими як ультразвук або лазери, датчики часу прольоту здатні дуже швидко скласти тривимірне зображення сцени. Наприклад, камера ToF може зробити це лише один раз. Мало того, датчик ToF здатний точно виявляти об’єкти за короткий час і на нього не впливають вологість, тиск повітря та температура, що робить його придатним для використання як у приміщенні, так і на вулиці.

велика відстань

Оскільки датчики ToF використовують лазери, вони також здатні вимірювати великі відстані та діапазони з високою точністю. Датчики ToF є гнучкими, оскільки вони здатні виявляти близькі та далекі об’єкти будь-якої форми та розміру.

Вона також є гнучкою в тому сенсі, що ви можете налаштувати оптику системи для оптимальної роботи, де ви можете вибрати типи передавача та приймача та лінзи для отримання бажаного поля зору.

Безпека

Переживав, що лазер відToFдатчик зашкодить очам? не хвилюйся! Зараз багато датчиків ToF використовують інфрачервоний лазер малої потужності як джерело світла та керують ним модульованими імпульсами. Датчик відповідає стандартам лазерної безпеки класу 1, що гарантує його безпеку для людського ока.

економічно ефективний

Порівняно з іншими технологіями тривимірного сканування діапазону глибини, такими як системи структурованих світлових камер або лазерні далекоміри, сенсори ToF набагато дешевші порівняно з ними.

Незважаючи на всі ці обмеження, ToF залишається дуже надійним і дуже швидким методом захоплення 3D-інформації.

4. Обмеження ToF

Хоча ToF має багато переваг, він також має обмеження. Деякі з обмежень ToF включають:

• Розсіяне світло

Якщо дуже яскраві поверхні знаходяться дуже близько до вашого датчика ToF, вони можуть розсіювати занадто багато світла у ваш приймач і створювати артефакти та небажані відбиття, оскільки вашому датчику ToF потрібно лише відбивати світло, коли вимірювання буде готове.

• Багаторазові відображення

Під час використання датчиків ToF на кутах і увігнутих формах вони можуть спричинити небажані відбиття, оскільки світло може багаторазово відбиватися, спотворюючи вимірювання.

• Навколишнє освітлення

Використання камери ToF поза приміщенням при яскравому сонячному світлі може ускладнити її використання. Це пов’язано з високою інтенсивністю сонячного світла, яке спричиняє швидке насичення пікселів датчика, що робить неможливим виявлення фактичного світла, відбитого від об’єкта.

• Висновок

Датчики ToF іОб'єктив ToFможе використовуватися в різноманітних програмах. Від 3D-карт, промислової автоматизації, виявлення перешкод, безпілотних автомобілів, сільського господарства, робототехніки, навігації в приміщенні, розпізнавання жестів, сканування об’єктів, вимірювань, відеоспостереження до доповненої реальності! Застосування технології ToF нескінченно.

Ви можете зв’язатися з нами для будь-яких потреб у лінзах ToF.

Chuang An Optoelectronics зосереджується на оптичних лінзах високої чіткості, щоб створити ідеальний візуальний бренд

Chuang An Optoelectronics тепер виробляє різноманітнілінзи TOFнаприклад:

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