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

Máy ảnh thời gian bay là gì? Có phải camera ghi lại chuyến bay của máy bay? Nó có liên quan gì đến máy bay hay máy bay không? Ừm, thực ra là một chặng đường dài!

ToF là thước đo thời gian cần thiết để một vật thể, hạt hoặc sóng truyền đi một khoảng cách. Bạn có biết rằng hệ thống sonar của dơi hoạt động? Hệ thống thời gian bay cũng tương tự!

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

Dữ liệu được tạo 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 (bản địa hóa và ánh xạ đồng thời), v.v.

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

Một máy ảnh ToF

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

Bây giờ, chúng tôi muốn giới thiệu ngắn gọn về cảm biến thời gian bay là gì và cách thức hoạt động của nó.

ToFcảm biến sử dụng tia laser cực nhỏ để phát ra ánh sáng hồng ngoại, trong đó ánh sáng thu được sẽ bật ra khỏi bất kỳ vật thể nào và quay trở lại cảm biến. Dựa trên sự chênh lệch về thời gian giữa sự phát xạ ánh sáng và sự 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 khám phá 2 cách ToF sử dụng thời gian di chuyển để xác định khoảng cách và độ sâu: sử dụng xung thời gian và sử dụng dịch pha của sóng điều chế biên độ.

Sử dụng xung hẹn giờ

Ví dụ, nó hoạt động bằng cách chiếu sáng mục tiêu bằng tia laser, sau đó đo ánh sáng phản xạ bằng máy quét, sau đó sử dụng tốc độ ánh sáng để ngoại suy khoảng cách của vật thể để tính toán chính xác khoảng cách di chuyển. Ngoài ra, sự khác biệt về thời gian phản hồi tia laser và bước sóng sau đó được sử dụng để tạo ra các đặc điểm bề mặt và biểu diễn 3D kỹ thuật số chính xác của mục tiêu, đồng thời vạch ra các đặc điểm riêng lẻ của mục tiêu một cách trực quan.

Như bạn có thể thấy ở trên, ánh sáng laser được bắn ra và sau đó bật ra khỏi vật thể trở lại cảm biến. Với thời gian quay trở lại của tia laser, camera ToF có thể đo khoảng cách chính xác trong một khoảng thời gian ngắn với tốc độ di chuyển của ánh sáng. (ToF chuyển đổi thành khoảng cách) Đây là công thức mà nhà phân tích sử dụng để đạt được khoảng cách chính xác của một đối tượng:

(tốc độ ánh sáng x thời gian bay) / 2

ToF chuyển đổi thành khoảng cách

Như bạn có thể thấy, bộ hẹn giờ sẽ bắt đầu khi đèn tắt và khi bộ thu nhận được đèn quay trở lại, bộ hẹn giờ sẽ quay lại thời gian. Khi trừ đi hai lần, ta thu được “thời gian bay” của ánh sáng và tốc độ ánh sáng không đổi nên có thể dễ dàng tính được khoảng cách bằng công thức trên. Bằng cách này, có thể xác định được tất cả các điểm trên bề mặt của vật thể.

Sử dụng sự dịch pha của sóng AM

Tiếp theo,ToFcũng 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.

Chuyển pha sử dụng sóng AM

Bằng cách điều chỉnh biên độ, nó tạo ra nguồn sáng hình sin có tần số đã biết, cho phép máy 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 tính toán theo độ sâu.

Tất cả những điều này xảy ra rất nhanh khi chúng ta làm việc với tốc độ ánh sáng. Bạn có thể tưởng tượng độ chính xác và tốc độ mà cảm biến có thể đo được không? Để tôi lấy một ví dụ, ánh sáng truyền đi với tốc độ 300.000 km mỗi giây, nếu một vật ở cách bạn 5m thì chênh lệch thời gian giữa ánh sáng rời khỏi máy ảnh và quay trở lại là khoảng 33 nano giây, tức chỉ tương đương với 0,000000033 giây! Ồ! Chưa kể, dữ liệu được chụp sẽ cung cấp cho bạn bản trình bày kỹ thuật số 3D chính xác cho từng pixel trong ảnh.

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

Một ví dụ về biểu đồ phạm vi ToF

Bây giờ chúng ta đã biết rằng ToF hoạt động, tại sao nó lại tốt? Tại sao sử dụng nó? Chúng tốt cho việc gì? Đừng lo lắng, có rất nhiều lợi ích 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 có thể tạo ra hình ảnh 3D của một cảnh rất nhanh. Ví dụ: camera ToF chỉ có thể thực hiện việc này một lần. Không chỉ vậy, cảm biến ToF còn có khả năng phát hiện vật thể một cách chính xác trong thời gian ngắn và không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, áp suất không khí và nhiệt độ nên thích hợp sử dụng cả trong nhà và ngoài trời.

khoảng cách xa

Vì cảm biến ToF sử dụng tia laser nên 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 ở mọi hình dạng và kích cỡ.

Nó cũng linh hoạt theo nghĩa là bạn có thể tùy chỉnh quang học của hệ thống để có hiệu suất tối ưu, trong đó bạn có thể chọn loại máy phát và máy thu cũng như ống kính để có được trường nhìn mong muốn.

Sự an toàn

Lo lắng rằng tia laser từToFCảm biến sẽ làm tổn thương mắt bạn? Đừng lo! 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 được điều chế. Cảm biến đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn laser Loại 1 để đảm bảo an toàn cho mắt người.

chi phí hiệu quả

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

Bất chấp tất cả những hạn chế này, ToF vẫn rất đáng tin cậy và là phương pháp thu thập thông tin 3D rất nhanh.

4. Hạn chế của ToF

Tuy ToF có nhiều lợi ích 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 ở rất gần cảm biến ToF của bạn, chúng có thể phân tán quá nhiều ánh sáng vào bộ thu của bạn và tạo ra các hiện tượng giả cũng như phản xạ không mong muốn vì cảm biến ToF của bạn chỉ cần phản chiếu ánh sáng sau khi phép đo đã sẵn sàng.

• Nhiều phản xạ

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

• Ánh sáng xung quanh

Sử dụng camera ToF ngoài trời dưới ánh nắng chói chang có thể gây khó khăn cho việc sử dụng ngoài trời. Điều này là do cường độ ánh sáng mặt trời cao khiến các điểm ảnh cảm biến nhanh chóng bão hòa, khiến không thể phát hiện được ánh sáng thực tế phản chiếu từ vật thể.

• Kết luận

Cảm biến ToF vàỐng kính ToFcó thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Từ Lập bản đồ 3D, Tự động hóa công nghiệp, Phát hiện chướng ngại vật, Ô tô tự lái, Nông nghiệp, Robotics, Điều hướng trong nhà, Nhận dạng cử chỉ, Quét đối tượng, Đo lường, Giám sát cho đến Thực tế tăng cường! Các ứng dụng của công nghệ ToF là vô tận.

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

Chuang An Optoelectronics tập trung vào ống kính quang học độ nét cao để tạo ra một thương hiệu hình ảnh hoàn hảo

Chuang An Optoelectronics hiện đã sản xuất nhiều loạiỐng 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