1. Cảm biến thời gian bay (ToF) là gì?

Máy ảnh đo thời gian bay là gì? Có phải đó là máy ảnh ghi lại quá trình bay của máy bay? Nó có liên quan gì đến máy bay không? Thực ra thì câu trả lời còn xa lắm!

Thời gian bay (ToF) là thước đo thời gian cần thiết để một vật thể, hạt hoặc sóng di chuyển một khoảng cách. Bạn có biết hệ thống định vị bằng sóng siêu âm của dơi hoạt động như thế nào không? Hệ thống thời gian bay cũng tương tự!

Có nhiều loại cảm biến đo thời gian bay, nhưng hầu hết là camera đo thời gian bay và máy quét laser, sử dụng công nghệ lidar (phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng) để đo độ sâu của các điểm khác nhau trong ảnh bằng cách chiếu ánh sáng hồng ngoại vào đó.

Dữ liệu được tạo ra và thu thập bằng cảm biến ToF rất hữu ích vì nó có thể cung cấp khả năng phát hiện người đi bộ, xác thực người dùng dựa trên đặc điểm khuôn mặt, lập bản đồ môi trường bằng thuật toán SLAM (định vị và lập bản đồ đồng thời), và nhiều hơn nữa.

Hệ thống này thực tế được sử dụng rộng rãi trong robot, ô tô tự lái, và thậm chí cả thiết bị di động của bạn hiện nay. Ví dụ, nếu bạn đang sử dụng Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, v.v., điện thoại của bạn đều có camera ToF!

Camera ToF

2. Cảm biến thời gian bay hoạt động như thế nào?

Tiếp theo, chúng tôi xin giới thiệu ngắn gọn về cảm biến thời gian bay (time-of-flight sensor) và cách thức hoạt động của nó.

ToFCác cảm biến sử dụng tia laser siêu nhỏ để phát ra ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng này sẽ phản xạ từ bất kỳ vật thể nào và quay trở lại cảm biến. Dựa trên sự chênh lệch thời gian giữa lúc phát ra ánh sáng và lúc ánh sáng quay trở lại cảm biến sau khi bị vật thể phản xạ, cảm biến có thể đo khoảng cách giữa vật thể và cảm biến.

Hôm nay, chúng ta sẽ tìm hiểu 2 cách mà ToF sử dụng thời gian truyền để xác định khoảng cách và độ sâu: sử dụng xung định thời và sử dụng sự dịch pha của sóng điều biến biên độ.

Sử dụng xung định thời

Ví dụ, nó hoạt động bằng cách chiếu tia laser vào mục tiêu, sau đó đo ánh sáng phản xạ bằng máy quét, và sử dụng tốc độ ánh sáng để ngoại suy khoảng cách của vật thể nhằm tính toán chính xác quãng đường đã đi. Ngoài ra, sự khác biệt về thời gian phản xạ laser và bước sóng sau đó được sử dụng để tạo ra mô hình 3D kỹ thuật số chính xác và các đặc điểm bề mặt của mục tiêu, và lập bản đồ trực quan các đặc điểm riêng lẻ của nó.

Như bạn thấy ở trên, ánh sáng laser được bắn ra và sau đó phản xạ lại từ vật thể về phía cảm biến. Với thời gian phản xạ của laser, camera ToF có thể đo khoảng cách chính xác trong một khoảng thời gian ngắn nhờ tốc độ ánh sáng. (ToF chuyển đổi thành khoảng cách) Đây là công thức mà nhà phân tích sử dụng để tính toán khoảng cách chính xác của một vật thể:

(tốc độ ánh sáng x thời gian bay) / 2

ToF chuyển đổi thành khoảng cách

Như bạn thấy, bộ đếm thời gian sẽ bắt đầu khi đèn tắt, và khi bộ thu nhận được ánh sáng phản xạ, bộ đếm thời gian sẽ trả về thời gian. Khi trừ đi hai lần, ta thu được "thời gian bay" của ánh sáng, và vì tốc độ ánh sáng là hằng số, nên khoảng cách có thể dễ dàng được tính toán bằng công thức trên. Bằng cách này, tất cả các điểm trên bề mặt của vật thể có thể được xác định.

Sử dụng độ lệch pha của sóng AM

Tiếp theo,ToFNgoài ra, có thể sử dụng sóng liên tục để phát hiện sự lệch pha của ánh sáng phản xạ nhằm xác định độ sâu và khoảng cách.

Sự dịch chuyển pha bằng sóng AM

Bằng cách điều chỉnh biên độ, nó tạo ra một nguồn sáng hình sin với tần số xác định, cho phép bộ dò xác định độ lệch pha của ánh sáng phản xạ bằng công thức sau:

Trong đó c là tốc độ ánh sáng (c = 3 × 10^8 m/s), λ là bước sóng (λ = 15 m) và f là tần số, mỗi điểm trên cảm biến có thể dễ dàng được tính toán theo chiều sâu.

Tất cả những điều này diễn ra rất nhanh vì chúng ta làm việc với tốc độ ánh sáng. Bạn có thể tưởng tượng độ chính xác và tốc độ mà các cảm biến có thể đo được không? Hãy để tôi đưa ra một ví dụ, ánh sáng truyền đi với tốc độ 300.000 km/giây, nếu một vật thể cách bạn 5m, sự khác biệt về thời gian giữa lúc ánh sáng rời khỏi camera và quay trở lại chỉ khoảng 33 nano giây, tương đương với 0,000000033 giây! Thật tuyệt vời! Chưa kể, dữ liệu thu được sẽ cung cấp cho bạn một hình ảnh kỹ thuật số 3D chính xác cho mỗi pixel trong ảnh.

Bất kể nguyên lý nào được sử dụng, việc cung cấp nguồn sáng chiếu sáng toàn bộ khung cảnh cho phép cảm biến xác định độ sâu của tất cả các điểm. Kết quả như vậy sẽ cho bạn một bản đồ khoảng cách, trong đó mỗi pixel mã hóa khoảng cách đến điểm tương ứng trong khung cảnh. Sau đây là một ví dụ về biểu đồ khoảng cách ToF:

Ví dụ về biểu đồ phạm vi ToF

Giờ chúng ta đã biết ToF hoạt động như thế nào, vậy tại sao nó lại tốt? Tại sao lại sử dụng nó? Chúng có ích gì? Đừng lo lắng, có rất nhiều ưu điểm khi sử dụng cảm biến ToF, nhưng tất nhiên cũng có một số hạn chế.

3. Lợi ích của việc sử dụng cảm biến thời gian bay

Đo lường chính xác và nhanh chóng

So với các cảm biến khoảng cách khác như siêu âm hoặc laser, cảm biến thời gian bay (ToF) có khả năng tạo ra hình ảnh 3D của một cảnh rất nhanh. Ví dụ, camera ToF chỉ có thể làm điều này một lần. Không chỉ vậy, cảm biến ToF còn có khả năng phát hiện vật thể chính xác trong thời gian ngắn và không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, áp suất không khí và nhiệt độ, do đó phù hợp cho cả sử dụng trong nhà và ngoài trời.

khoảng cách xa

Vì cảm biến ToF sử dụng tia laser, chúng cũng có khả năng đo khoảng cách và phạm vi xa với độ chính xác cao. Cảm biến ToF rất linh hoạt vì chúng có thể phát hiện các vật thể ở gần và xa với mọi hình dạng và kích thước.

Hệ thống này cũng linh hoạt ở chỗ bạn có thể tùy chỉnh quang học để đạt hiệu suất tối ưu, bằng cách chọn loại bộ phát và bộ thu cũng như các loại thấu kính để có được trường nhìn mong muốn.

Sự an toàn

Lo lắng rằng tia laser từToFCảm biến ToF có thể gây hại cho mắt bạn không? Đừng lo lắng! Nhiều cảm biến ToF hiện nay sử dụng tia laser hồng ngoại công suất thấp làm nguồn sáng và điều khiển nó bằng các xung điều biến. Cảm biến đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn laser Loại 1 để đảm bảo an toàn cho mắt người.

tiết kiệm chi phí

So với các công nghệ quét phạm vi độ sâu 3D khác như hệ thống camera ánh sáng cấu trúc hoặc máy đo khoảng cách laser, cảm biến ToF có giá thành rẻ hơn nhiều.

Mặc dù có tất cả những hạn chế này, ToF vẫn là một phương pháp rất đáng tin cậy và nhanh chóng để thu thập thông tin 3D.

4. Những hạn chế của ToF

Mặc dù ToF có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có những hạn chế. Một số hạn chế của ToF bao gồm:

• Ánh sáng tán xạ

Nếu các bề mặt rất sáng nằm rất gần cảm biến ToF của bạn, chúng có thể tán xạ quá nhiều ánh sáng vào bộ thu và tạo ra các hiện tượng nhiễu và phản xạ không mong muốn, vì cảm biến ToF chỉ cần phản xạ ánh sáng khi quá trình đo đã sẵn sàng.

• Nhiều phản chiếu

Khi sử dụng cảm biến ToF ở các góc và hình dạng lõm, chúng có thể gây ra hiện tượng phản xạ không mong muốn, vì ánh sáng có thể bật ra nhiều lần, làm sai lệch phép đo.

• Ánh sáng xung quanh

Việc sử dụng camera ToF ngoài trời dưới ánh nắng mặt trời gay gắt có thể gây khó khăn. Điều này là do cường độ ánh sáng mặt trời cao khiến các điểm ảnh của cảm biến nhanh chóng bị bão hòa, làm cho việc phát hiện ánh sáng thực sự phản xạ từ vật thể trở nên bất khả thi.

• Kết luận

Cảm biến ToF vàỐng kính ToFCông nghệ ToF có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Từ lập bản đồ 3D, tự động hóa công nghiệp, phát hiện vật cản, xe tự lái, nông nghiệp, robot, điều hướng trong nhà, nhận dạng cử chỉ, quét vật thể, đo lường, giám sát đến thực tế tăng cường! Ứng dụng của công nghệ ToF là vô tận.

Bạn có thể liên hệ với chúng tôi nếu có bất kỳ nhu cầu nào về ống kính ToF.

Công ty Chuang An Optoelectronics tập trung vào các thấu kính quang học độ nét cao để tạo nên một thương hiệu hình ảnh hoàn hảo.

Công ty Chuang An Optoelectronics hiện đã sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau.Ống kính TOFchẳng hạn như:

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