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

Máy ảnh thời gian bay là gì? Có phải là máy ảnh chụp chuyến bay của máy bay? Nó có liên quan gì đến máy bay hoặc máy bay không? Chà, nó thực sự là một chặng đường dài!

TOF là thước đo thời gian cần thiết cho một vật thể, hạt hoặc sóng để di chuyển một khoảng cách. Bạn có biết rằng hệ thống sonar của một con dơi hoạt động? Hệ thống thời gian bay là tương tự!

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

Dữ liệu được tạo và thu thập bằng cảm biến TOF rất hữu ích vì nó có thể cung cấp phát hiện cho người đi bộ, xác thực người dùng dựa trên các tính năng khuôn mặt, ánh xạ môi trường bằng thuật toán SLAM (nội địa hóa và ánh xạ đồng thời), v.v.

Hệ thống này thực sự được sử dụng rộng rãi trong robot, xe tự lái và thậm chí bây giờ thiết bị di động 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.

TOFCác cảm biến sử dụng các laser nhỏ để phát ra ánh sáng hồng ngoại, trong đó ánh sáng kết quả bật ra khỏi bất kỳ vật thể nào và quay trở lại cảm biến. Dựa trên sự khác biệt về thời gian giữa sự phát xạ của ánh sáng và sự trở lại cảm biến sau khi được phản xạ bởi vật thể, cảm biến có thể đo khoảng cách giữa vật thể và cảm biến.

Hôm nay, chúng tôi sẽ khám phá 2 cách cách TOF sử dụng thời gian di chuyển để xác định khoảng cách và độ sâu: sử dụng các xung thời gian và sử dụng dịch chuyển pha của sóng điều chế biên độ.

Sử dụng các xung thời gian

Ví dụ, nó hoạt động bằng cách chiếu sáng một mục tiêu bằng 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 trả về laser và bước sóng sau đó được sử dụng để tạo biểu diễn 3D kỹ thuật số chính xác và các tính năng bề mặt của mục tiêu và vạch ra các tính năng riêng lẻ của nó.

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 lại laser, máy ảnh TOF có thể đo khoảng cách chính xác trong một khoảng thời gian ngắn với tốc độ di chuyển ánh sáng. (TOF chuyển đổi thành khoảng cách) Đây là công thức mà một nhà phân tích sử dụng để đến khoảng cách chính xác của một đối tượng:

(Tốc độ ánh sáng x Thời gian của chuyến bay) / 2

TOF chuyển đổi thành khoảng cách

Như bạn có thể thấy, bộ hẹn giờ sẽ bắt đầu trong khi đèn tắt và khi máy thu nhận đèn trả về, bộ hẹn giờ sẽ trả lại thời gian. Khi trừ hai lần, thời gian của chuyến bay của ánh sáng và tốc độ ánh sáng không đổi, do đó khoảng cách có thể dễ dàng tính toán bằng cách sử dụng công thức ở trên. Theo cách này, tất cả các điểm trên bề mặt của đối tượng có thể được xác định.

Sử dụng sự thay đổi pha của sóng AM

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

Sự thay đổi pha bằng cách sử dụng sóng AM

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

Trong đó C là tốc độ của ánh sáng (c = 3 × 10^8 m/s), là một 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 các cảm biến có thể đo? Hãy để tôi đưa ra một ví dụ, ánh sáng di chuyển với tốc độ 300.000 km mỗi giây, nếu một vật thể cách bạn 5m, chênh lệch thời gian giữa ánh sáng rời khỏi máy ảnh và quay trở lại là khoảng 33 nano giây, chỉ tương đương với 0,000000033 giây! Ồ! Chưa kể, dữ liệu được ghi lại sẽ cung cấp cho bạn một biểu diễn kỹ thuật số 3D chính xác cho mỗi pixel trong hình ảnh.

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

Một ví dụ về biểu đồ phạm vi TOF

Bây giờ chúng ta biết rằng TOF hoạt động, tại sao nó lại tốt? Tại sao sử dụng nó? Chúng tốt cho điều gì? Đừng lo lắng, có rất nhiều lợi thế khi sử dụng cảm biến TOF, nhưng tất nhiên có một số hạn chế.

3. Lợi ích của việc sử dụng các 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, các cảm biến thời gian bay có thể tạo ra hình ảnh 3D của một cảnh rất nhanh. Ví dụ, một máy ảnh TOF chỉ có thể làm điều này chỉ một lần. Không chỉ vậy, cảm biến TOF có thể phát hiện chính xác các vật thể trong một thời gian ngắn và không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, áp suất không khí và nhiệt độ, làm cho nó phù hợp cho cả việc sử dụng trong nhà và ngoài trời.

đường dài

Vì các cảm biến TOF sử dụng laser, chúng cũng có khả năng đo khoảng cách và phạm vi dài với độ chính xác cao. Các cảm biến TOF linh hoạt vì chúng có thể phát hiện các vật thể gần và xa của tất cả các hình dạng và kích thước.

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

Sự an toàn

Lo lắng rằng laser từTOFCảm biến sẽ làm tổn thương mắt bạn? Đừng lo! Nhiều cảm biến TOF hiện sử dụng laser hồng ngoại công suất thấp làm nguồn sáng và điều khiển nó với các xung được điều chế. Cảm biến đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn laser loại 1 để đảm bảo nó 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 hoặc các thiết bị laser, các cảm biến TOF rẻ hơn nhiều so với chúng.

Mặc dù tất cả những hạn chế này, TOF vẫn rất đáng tin cậy và là một phương pháp rất nhanh để nắm bắt thông tin 3D.

4. Hạn chế của TOF

Mặc dù TOF có nhiều lợi ích, nhưng nó cũng có những hạn chế. Một số hạn chế của TOF bao gồm:

• Ánh sáng rải rác

Nếu các bề mặt rất sáng rất gần với cảm biến TOF của bạn, chúng có thể phân tán quá nhiều ánh sáng vào máy thu của bạn và tạo ra các đồ tạo tác và phản xạ không mong muốn, vì cảm biến TOF của bạn chỉ cần phản xạ ánh sáng khi đo đã sẵn sàng.

• Nhiều phản xạ

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

• Ánh sáng xung quanh

Sử dụng máy ảnh TOF ngoài trời dưới ánh sáng mặt trời có thể khiến việc sử dụng ngoài trời trở nên khó khăn. Điều này là do cường độ cao của ánh sáng mặt trời khiến các pixel cảm biến nhanh chóng bão hòa, khiến không thể phát hiện ánh sáng thực tế phản xạ từ vật thể.

• Kết luận

Cảm biến tof vàỐng kính TOFcó thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng. Từ bản đồ 3D, tự động hóa công nghiệp, phát hiện chướng ngại vật, xe tự lái, nông nghiệp, robot, điều hướng trong nhà, nhận dạng cử chỉ, quét đối tượng, đo lường, giám sát đến thực tế tăng cường! Các ứng dụng của công nghệ TOF là vô tận.

Bạn có thể liên hệ với chúng tôi cho bất kỳ nhu cầu của ống kính TOF.

Chuang một quang điện tử tập trung vào ống kính quang học độ nét cao để tạo ra một thương hiệu trực quan hoàn hảo

Chuang một quang điện tử hiện đã sản xuất một loạtỐng 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