۱. حسگر زمان پرواز (ToF) چیست؟

دوربین زمان پرواز چیست؟ آیا دوربینی است که پرواز هواپیما را ثبت می‌کند؟ آیا ارتباطی با هواپیماها یا هواپیماها دارد؟ خب، در واقع خیلی دور از ذهن است!

ToF معیاری برای اندازه‌گیری مدت زمانی است که طول می‌کشد تا یک جسم، ذره یا موج مسافتی را طی کند. آیا می‌دانستید که سیستم سونار خفاش نیز کار می‌کند؟ سیستم زمان پرواز نیز مشابه همین است!

انواع مختلفی از حسگرهای زمان پرواز وجود دارد، اما بیشتر آنها دوربین‌های زمان پرواز و اسکنرهای لیزری هستند که از فناوری‌ای به نام لیدار (تشخیص و اندازه‌گیری نور) برای اندازه‌گیری عمق نقاط مختلف در یک تصویر با تاباندن نور مادون قرمز به آن استفاده می‌کنند.

داده‌های تولید و ضبط شده با استفاده از حسگرهای ToF بسیار مفید هستند زیرا می‌توانند تشخیص عابر پیاده، احراز هویت کاربر بر اساس ویژگی‌های صورت، نقشه‌برداری از محیط با استفاده از الگوریتم‌های SLAM (محلی‌سازی و نقشه‌برداری همزمان) و موارد دیگر را فراهم کنند.

این سیستم در واقع به طور گسترده در ربات‌ها، ماشین‌های خودران و حتی اکنون در دستگاه تلفن همراه شما استفاده می‌شود. به عنوان مثال، اگر از Huawei P30 Pro، Oppo RX17 Pro، LG G8 ThinQ و غیره استفاده می‌کنید، تلفن شما دارای دوربین ToF است!

یک دوربین ToF

۲. حسگر زمان پرواز چگونه کار می‌کند؟

حال، می‌خواهیم مقدمه‌ای کوتاه در مورد اینکه حسگر زمان پرواز چیست و چگونه کار می‌کند، ارائه دهیم.

زمان پرواز (TOF)حسگرها از لیزرهای ریز برای انتشار نور مادون قرمز استفاده می‌کنند، که در آن نور حاصل از برخورد با هر جسمی منعکس شده و به حسگر بازمی‌گردد. بر اساس اختلاف زمانی بین انتشار نور و بازگشت به حسگر پس از بازتاب توسط جسم، حسگر می‌تواند فاصله بین جسم و حسگر را اندازه‌گیری کند.

امروز، ما دو روش را بررسی خواهیم کرد که چگونه ToF از زمان سفر برای تعیین فاصله و عمق استفاده می‌کند: استفاده از پالس‌های زمان‌بندی و استفاده از تغییر فاز امواج مدوله شده با دامنه.

استفاده از پالس‌های زمان‌بندی‌شده

برای مثال، این روش با روشن کردن یک هدف با لیزر، سپس اندازه‌گیری نور منعکس‌شده با یک اسکنر و در نهایت استفاده از سرعت نور برای برون‌یابی فاصله جسم و محاسبه دقیق مسافت طی‌شده کار می‌کند. علاوه بر این، از تفاوت در زمان بازگشت لیزر و طول موج برای ایجاد یک نمایش سه‌بعدی دیجیتال دقیق و ویژگی‌های سطحی هدف و ترسیم بصری ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن استفاده می‌شود.

همانطور که در بالا می‌بینید، نور لیزر شلیک می‌شود و سپس از جسم به حسگر برمی‌گردد. با زمان بازگشت لیزر، دوربین‌های ToF می‌توانند با توجه به سرعت نور، فواصل دقیق را در مدت زمان کوتاهی اندازه‌گیری کنند. (ToF به فاصله تبدیل می‌شود) این فرمولی است که یک تحلیلگر برای رسیدن به فاصله دقیق یک جسم استفاده می‌کند:

(سرعت نور × زمان پرواز) / ۲

ToF به فاصله تبدیل می‌شود

همانطور که می‌بینید، تایمر در حالی که نور خاموش است شروع به کار می‌کند و هنگامی که گیرنده نور برگشتی را دریافت می‌کند، تایمر زمان را برمی‌گرداند. با دو بار کم کردن، «زمان پرواز» نور به دست می‌آید و سرعت نور ثابت است، بنابراین فاصله را می‌توان به راحتی با استفاده از فرمول بالا محاسبه کرد. به این ترتیب، تمام نقاط روی سطح جسم را می‌توان تعیین کرد.

از تغییر فاز موج AM استفاده کنید

در مرحله بعد،زمان پرواز (TOF)همچنین می‌تواند از امواج پیوسته برای تشخیص تغییر فاز نور منعکس‌شده استفاده کند تا عمق و فاصله را تعیین کند.

تغییر فاز با استفاده از موج AM

با مدوله کردن دامنه، یک منبع نور سینوسی با فرکانس مشخص ایجاد می‌کند و به آشکارساز اجازه می‌دهد تا تغییر فاز نور منعکس شده را با استفاده از فرمول زیر تعیین کند:

که در آن c سرعت نور (c = 3 × 10^8 m/s)، λ طول موج (λ = 15 m) و f فرکانس است، هر نقطه روی حسگر را می‌توان به راحتی در عمق محاسبه کرد.

همه این اتفاقات خیلی سریع رخ می‌دهند، چون ما با سرعت نور کار می‌کنیم. می‌توانید دقت و سرعتی را که حسگرها قادر به اندازه‌گیری هستند تصور کنید؟ بگذارید مثالی بزنم، نور با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند، اگر جسمی ۵ متر از شما فاصله داشته باشد، اختلاف زمانی بین نور خروجی از دوربین و بازگشت آن حدود ۳۳ نانوثانیه است که فقط معادل ۰.۰۰۰۰۰۳۳ ثانیه است! وای! ناگفته نماند، داده‌های ضبط شده، یک نمایش دیجیتالی سه‌بعدی دقیق برای هر پیکسل در تصویر به شما می‌دهند.

صرف نظر از اصل مورد استفاده، فراهم کردن یک منبع نور که کل صحنه را روشن می‌کند، به حسگر اجازه می‌دهد تا عمق تمام نقاط را تعیین کند. چنین نتیجه‌ای یک نقشه فاصله به شما می‌دهد که در آن هر پیکسل، فاصله تا نقطه مربوطه در صحنه را کدگذاری می‌کند. در زیر مثالی از نمودار محدوده ToF آمده است:

نمونه‌ای از نمودار محدوده ToF

حالا که می‌دانیم ToF کار می‌کند، چرا خوب است؟ چرا از آن استفاده کنیم؟ برای چه کاری مفید هستند؟ نگران نباشید، استفاده از حسگر ToF مزایای زیادی دارد، اما طبیعتاً محدودیت‌هایی هم دارد.

۳. مزایای استفاده از حسگرهای زمان پرواز

اندازه‌گیری دقیق و سریع

در مقایسه با سایر حسگرهای فاصله مانند سونوگرافی یا لیزر، حسگرهای زمان پرواز قادرند خیلی سریع یک تصویر سه‌بعدی از یک صحنه ایجاد کنند. به عنوان مثال، یک دوربین ToF می‌تواند این کار را فقط یک بار انجام دهد. حسگر ToF نه تنها قادر است اشیاء را در مدت زمان کوتاهی به طور دقیق تشخیص دهد و تحت تأثیر رطوبت، فشار هوا و دما قرار نمی‌گیرد، بلکه آن را برای استفاده در محیط داخلی و خارجی مناسب می‌کند.

مسافت طولانی

از آنجایی که حسگرهای ToF از لیزر استفاده می‌کنند، قادر به اندازه‌گیری فواصل و بردهای طولانی با دقت بالا نیز هستند. حسگرهای ToF انعطاف‌پذیر هستند زیرا قادر به تشخیص اشیاء دور و نزدیک از هر شکل و اندازه‌ای هستند.

همچنین از این نظر انعطاف‌پذیر است که شما می‌توانید اپتیک سیستم را برای عملکرد بهینه سفارشی کنید، که در آن می‌توانید انواع فرستنده و گیرنده و لنزها را برای رسیدن به میدان دید مورد نظر انتخاب کنید.

ایمنی

نگران بود که لیزر اززمان پرواز (TOF)آیا سنسور به چشمان شما آسیب می‌رساند؟ نگران نباشید! بسیاری از سنسورهای ToF اکنون از لیزر مادون قرمز کم‌مصرف به عنوان منبع نور استفاده می‌کنند و آن را با پالس‌های مدوله شده هدایت می‌کنند. این سنسور مطابق با استانداردهای ایمنی لیزر کلاس ۱ است تا از بی‌خطر بودن آن برای چشم انسان اطمینان حاصل شود.

مقرون به صرفه

در مقایسه با سایر فناوری‌های اسکن عمق سه‌بعدی مانند سیستم‌های دوربین نور ساختاریافته یا فاصله‌یاب‌های لیزری، حسگرهای ToF بسیار ارزان‌تر هستند.

با وجود همه این محدودیت‌ها، ToF هنوز هم بسیار قابل اعتماد و روشی بسیار سریع برای ثبت اطلاعات سه‌بعدی است.

۴. محدودیت‌های ToF

اگرچه ToF مزایای زیادی دارد، اما محدودیت‌هایی نیز دارد. برخی از محدودیت‌های ToF عبارتند از:

• نور پراکنده

اگر سطوح بسیار روشن به حسگر ToF شما بسیار نزدیک باشند، ممکن است نور زیادی را به گیرنده شما پراکنده کنند و مصنوعات و بازتاب‌های ناخواسته ایجاد کنند، زیرا حسگر ToF شما فقط زمانی که اندازه‌گیری آماده شد، نیاز به بازتاب نور دارد.

• بازتاب‌های چندگانه

هنگام استفاده از حسگرهای ToF در گوشه‌ها و اشکال مقعر، این حسگرها می‌توانند بازتاب‌های ناخواسته ایجاد کنند، زیرا نور می‌تواند چندین بار بازتاب شود و اندازه‌گیری را مختل کند.

• نور محیط

استفاده از دوربین ToF در فضای باز و در نور شدید خورشید می‌تواند استفاده از آن را دشوار کند. این به دلیل شدت بالای نور خورشید است که باعث می‌شود پیکسل‌های حسگر به سرعت اشباع شوند و تشخیص نور واقعی منعکس شده از جسم غیرممکن شود.

• نتیجه‌گیری

حسگرهای ToF ولنز ToFمی‌تواند در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار گیرد. از نقشه‌برداری سه‌بعدی، اتوماسیون صنعتی، تشخیص مانع، خودروهای خودران، کشاورزی، رباتیک، ناوبری داخلی، تشخیص ژست، اسکن اشیاء، اندازه‌گیری، نظارت گرفته تا واقعیت افزوده! کاربردهای فناوری ToF بی‌پایان است.

برای هرگونه نیاز به لنزهای ToF می‌توانید با ما تماس بگیرید.

چوانگ آن اپتوالکترونیکز (Chuang An Optoelectronics) بر روی لنزهای اپتیکی با کیفیت بالا تمرکز دارد تا یک برند بصری بی‌نقص ایجاد کند.

شرکت چوانگ آن اپتوالکترونیک اکنون انواع مختلفی از ... را تولید کرده است.لنزهای TOFمانند:

CH3651A f3.6mm F1.2 1/2 اینچ IR850nm

CH3651B f3.6mm F1.2 1/2 اینچ IR940nm

CH3652A f3.3mm F1.1 1/3 اینچ IR850nm

CH3652B f3.3mm F1.1 1/3 اینچ IR940nm

CH3653A f3.9mm F1.1 1/3 اینچ IR850nm

CH3653B f3.9mm F1.1 1/3 اینچ IR940nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm