1. Was ist ein Time-of-Flight-Sensor (ToF-Sensor)?

Was ist eine Time-of-Flight-Kamera? Ist es die Kamera, die den Flug eines Flugzeugs aufzeichnet? Hat sie etwas mit Flugzeugen zu tun? Nun, davon ist es tatsächlich weit entfernt!

Die Flugzeit (ToF) misst die Zeit, die ein Objekt, ein Teilchen oder eine Welle benötigt, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Wussten Sie, dass das Sonarsystem einer Fledermaus so funktioniert? Das Flugzeitsystem ist ähnlich!

Es gibt viele Arten von Time-of-Flight-Sensoren, aber die meisten sind Time-of-Flight-Kameras und Laserscanner, die eine Technologie namens Lidar (Light Detection and Ranging) verwenden, um die Tiefe verschiedener Punkte in einem Bild zu messen, indem sie es mit Infrarotlicht beleuchten.

Die mit ToF-Sensoren erzeugten und erfassten Daten sind sehr nützlich, da sie die Erkennung von Fußgängern, die Benutzerauthentifizierung anhand von Gesichtsmerkmalen, die Umgebungskartierung mit SLAM-Algorithmen (Simultaneous Localization and Mapping) und vieles mehr ermöglichen.

Dieses System findet breite Anwendung in Robotern, selbstfahrenden Autos und sogar in Mobilgeräten. Wenn Sie beispielsweise ein Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ usw. verwenden, verfügt Ihr Smartphone über eine ToF-Kamera!

Eine ToF-Kamera

2. Wie funktioniert der Time-of-Flight-Sensor?

Nun möchten wir Ihnen kurz erklären, was ein Time-of-Flight-Sensor ist und wie er funktioniert.

ToFSensoren nutzen winzige Laser, die Infrarotlicht aussenden. Dieses Licht wird von Objekten reflektiert und kehrt zum Sensor zurück. Anhand der Zeitdifferenz zwischen Aussendung des Lichts und dessen Rückkehr zum Sensor nach der Reflexion am Objekt kann der Sensor die Entfernung zwischen Objekt und Sensor messen.

Heute werden wir zwei Methoden untersuchen, mit denen die ToF-Technologie die Laufzeit nutzt, um Entfernung und Tiefe zu bestimmen: die Verwendung von Zeitimpulsen und die Verwendung der Phasenverschiebung von amplitudenmodulierten Wellen.

Verwenden Sie zeitgesteuerte Impulse

Das Verfahren funktioniert beispielsweise, indem ein Ziel mit einem Laser beleuchtet, das reflektierte Licht mit einem Scanner gemessen und anschließend mithilfe der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung des Objekts extrapoliert wird, um die zurückgelegte Strecke präzise zu berechnen. Zusätzlich werden die Unterschiede in der Laufzeit und Wellenlänge des Lasers genutzt, um eine genaue digitale 3D-Darstellung und Oberflächenstruktur des Ziels zu erstellen und dessen einzelne Merkmale visuell darzustellen.

Wie Sie oben sehen, wird Laserlicht ausgesendet und vom Objekt zum Sensor zurückreflektiert. Dank der Laufzeit des Lasers können ToF-Kameras aufgrund der Lichtgeschwindigkeit in kurzer Zeit präzise Entfernungen messen. (ToF wird in Entfernung umgerechnet.) Dies ist die Formel, mit der ein Analyst die genaue Entfernung eines Objekts berechnet:

(Lichtgeschwindigkeit x Flugzeit) / 2

Flugzeit wird in Entfernung umgerechnet

Wie Sie sehen, startet der Timer, solange das Licht ausgeschaltet ist. Sobald der Empfänger das reflektierte Licht empfängt, gibt der Timer die Zeit zurück. Durch Subtraktion des Doppelten erhält man die Laufzeit des Lichts. Da die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, lässt sich die Entfernung mithilfe der oben genannten Formel leicht berechnen. Auf diese Weise können alle Punkte auf der Oberfläche des Objekts bestimmt werden.

Nutzen Sie die Phasenverschiebung der AM-Welle

Als nächstes,ToFMan kann auch kontinuierliche Wellen verwenden, um die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts zu erfassen und so Tiefe und Entfernung zu bestimmen.

Phasenverschiebung mittels AM-Welle

Durch Modulation der Amplitude wird eine sinusförmige Lichtquelle mit bekannter Frequenz erzeugt, wodurch der Detektor die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts mithilfe der folgenden Formel bestimmen kann:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit (c = 3 × 10^8 m/s), λ die Wellenlänge (λ = 15 m) und f die Frequenz ist, kann jeder Punkt auf dem Sensor leicht in seiner Tiefe berechnet werden.

All das geschieht blitzschnell, da wir mit Lichtgeschwindigkeit arbeiten. Können Sie sich die Präzision und Geschwindigkeit vorstellen, mit der Sensoren messen können? Ein Beispiel: Licht breitet sich mit 300.000 Kilometern pro Sekunde aus. Befindet sich ein Objekt 5 Meter von Ihnen entfernt, beträgt der Zeitunterschied zwischen dem Aussenden und dem Zurückkehren des Lichts von der Kamera etwa 33 Nanosekunden – das entspricht gerade einmal 0,000000033 Sekunden! Wahnsinn! Und die erfassten Daten liefern Ihnen eine präzise digitale 3D-Darstellung jedes einzelnen Pixels im Bild.

Unabhängig vom verwendeten Prinzip ermöglicht eine Lichtquelle, die die gesamte Szene ausleuchtet, dem Sensor die Tiefenmessung aller Punkte. Das Ergebnis ist eine Entfernungskarte, in der jedes Pixel die Entfernung zum entsprechenden Punkt in der Szene angibt. Nachfolgend ein Beispiel für ein ToF-Entfernungsdiagramm:

Ein Beispiel für ein ToF-Reichweitendiagramm

Nachdem wir nun wissen, dass ToF funktioniert, stellt sich die Frage: Warum ist es gut? Wozu dient es? Keine Sorge, die Verwendung eines ToF-Sensors bietet viele Vorteile, aber natürlich gibt es auch einige Einschränkungen.

3. Die Vorteile der Verwendung von Laufzeitsensoren

Genaue und schnelle Messung

Im Vergleich zu anderen Distanzsensoren wie Ultraschall oder Lasern können Time-of-Flight-Sensoren (ToF-Sensoren) sehr schnell ein 3D-Bild einer Szene erstellen. Eine ToF-Kamera kann dies beispielsweise nur einmal durchführen. Darüber hinaus erkennt der ToF-Sensor Objekte präzise in kurzer Zeit und ist unempfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Temperatur, wodurch er sich sowohl für den Innen- als auch für den Außenbereich eignet.

Fernverbindung

Da ToF-Sensoren Laser verwenden, können sie auch große Entfernungen und Reichweiten mit hoher Genauigkeit messen. ToF-Sensoren sind flexibel, da sie nahe und ferne Objekte jeder Form und Größe erfassen können.

Es ist außerdem flexibel, da Sie die Optik des Systems für eine optimale Leistung individuell anpassen können. Sie können die Sender- und Empfängertypen sowie die Linsen auswählen, um das gewünschte Sichtfeld zu erhalten.

Sicherheit

Besorgt darüber, dass der Laser von derToFIst der Sensor schädlich für die Augen? Keine Sorge! Viele ToF-Sensoren verwenden heutzutage einen Infrarotlaser mit geringer Leistung als Lichtquelle und steuern diesen mit modulierten Pulsen an. Der Sensor erfüllt die Laserschutzklasse 1 und ist somit unbedenklich für das menschliche Auge.

kostengünstig

Im Vergleich zu anderen 3D-Tiefenscantechnologien wie strukturierten Lichtkamerasystemen oder Laserentfernungsmessern sind ToF-Sensoren wesentlich günstiger.

Trotz all dieser Einschränkungen ist ToF immer noch eine sehr zuverlässige und sehr schnelle Methode zur Erfassung von 3D-Informationen.

4. Einschränkungen der ToF

Obwohl die Flugzeitmessung viele Vorteile bietet, hat sie auch ihre Grenzen. Zu den Grenzen der Flugzeitmessung gehören unter anderem:

• Streulicht

Wenn sich sehr helle Oberflächen in unmittelbarer Nähe Ihres ToF-Sensors befinden, können sie zu viel Licht in Ihren Empfänger streuen und Artefakte und unerwünschte Reflexionen erzeugen, da Ihr ToF-Sensor das Licht nur dann reflektieren muss, wenn die Messung bereit ist.

• Mehrfachreflexionen

Bei der Verwendung von ToF-Sensoren an Ecken und konkaven Formen können unerwünschte Reflexionen auftreten, da das Licht mehrfach zurückgeworfen wird und dadurch die Messung verfälscht wird.

• Umgebungslicht

Die Verwendung der ToF-Kamera im Freien bei hellem Sonnenlicht kann sich als schwierig erweisen. Dies liegt an der hohen Intensität des Sonnenlichts, die zu einer schnellen Sättigung der Sensorpixel führt, wodurch die Erfassung des vom Objekt reflektierten Lichts unmöglich wird.

• Der Abschluss

ToF-Sensoren undToF-LinseDie ToF-Technologie findet in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung. Von 3D-Kartierung, Industrieautomation, Hinderniserkennung, autonomen Fahrzeugen, Landwirtschaft, Robotik, Indoor-Navigation, Gestenerkennung, Objekterkennung, Messungen und Überwachung bis hin zu Augmented Reality! Die Einsatzmöglichkeiten der ToF-Technologie sind schier unendlich.

Bei Fragen zu ToF-Objektiven können Sie sich gerne an uns wenden.

Chuang An Optoelectronics konzentriert sich auf hochauflösende optische Linsen, um eine perfekte visuelle Marke zu schaffen.

Chuang An Optoelectronics hat mittlerweile eine Vielzahl von Produkten hergestellt.TOF-Linsenwie zum Beispiel:

CH3651A f3,6 mm F1,2 1/2″ IR850 nm

CH3651B f3,6 mm F1,2 1/2″ IR940 nm

CH3652A f3,3 mm F1,1 1/3″ IR850 nm

CH3652B f3,3 mm F1,1 1/3″ IR940 nm

CH3653A f3,9 mm F1,1 1/3″ IR850 nm

CH3653B f3,9 mm F1,1 1/3″ IR940 nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

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