1. Cos'è un sensore del tempo di volo (ToF)?

Cos'è una telecamera del tempo di volo?È la telecamera che cattura il volo dell'aereo?Ha qualcosa a che fare con gli aerei o gli aerei?Beh, in realtà è molto lontano!

Il ToF è una misura del tempo impiegato da un oggetto, una particella o un'onda per percorrere una distanza.Sapevi che il sistema sonar dei pipistrelli funziona?Il sistema del tempo di volo è simile!

Esistono molti tipi di sensori del tempo di volo, ma la maggior parte sono fotocamere e scanner laser del tempo di volo, che utilizzano una tecnologia chiamata lidar (rilevamento e portata della luce) per misurare la profondità di vari punti in un'immagine illuminandola con luce infrarossa.

I dati generati e acquisiti utilizzando i sensori ToF sono molto utili in quanto possono fornire il rilevamento dei pedoni, l'autenticazione dell'utente in base alle caratteristiche facciali, la mappatura dell'ambiente utilizzando algoritmi SLAM (localizzazione e mappatura simultanea) e altro ancora.

Questo sistema è in realtà ampiamente utilizzato nei robot, nelle auto a guida autonoma e anche ora nei dispositivi mobili.Ad esempio, se utilizzi Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ, ecc., il tuo telefono ha una fotocamera ToF!

Una fotocamera ToF

2. Come funziona il sensore del tempo di volo?

Ora vorremmo fornire una breve introduzione su cos'è un sensore del tempo di volo e su come funziona.

ToFi sensori utilizzano minuscoli laser per emettere luce infrarossa, dove la luce risultante rimbalza su qualsiasi oggetto e ritorna al sensore.In base alla differenza di tempo tra l'emissione della luce e il ritorno al sensore dopo essere stata riflessa dall'oggetto, il sensore può misurare la distanza tra l'oggetto e il sensore.

Oggi esploreremo 2 modi in cui ToF utilizza il tempo di viaggio per determinare la distanza e la profondità: utilizzando gli impulsi di temporizzazione e utilizzando lo sfasamento delle onde modulate in ampiezza.

Usa impulsi temporizzati

Ad esempio, funziona illuminando un bersaglio con un laser, quindi misurando la luce riflessa con uno scanner e infine utilizzando la velocità della luce per estrapolare la distanza dell'oggetto per calcolare con precisione la distanza percorsa.Inoltre, la differenza nel tempo di ritorno del laser e nella lunghezza d'onda viene quindi utilizzata per creare una rappresentazione digitale 3D accurata e le caratteristiche della superficie del bersaglio e mappare visivamente le sue caratteristiche individuali.

Come puoi vedere sopra, la luce laser viene emessa e poi rimbalza sull'oggetto verso il sensore.Grazie al tempo di ritorno del laser, le telecamere ToF sono in grado di misurare distanze precise in un breve periodo di tempo data la velocità della luce.(ToF si converte in distanza) Questa è la formula che un analista utilizza per arrivare alla distanza esatta di un oggetto:

(velocità della luce x tempo di volo) / 2

ToF viene convertito in distanza

Come puoi vedere, il timer si avvierà mentre la luce è spenta e quando il ricevitore riceve la luce di ritorno, il timer restituirà l'ora.Sottraendo due volte, si ottiene il “tempo di volo” della luce e la velocità della luce è costante, quindi la distanza può essere facilmente calcolata utilizzando la formula sopra.In questo modo è possibile determinare tutti i punti sulla superficie dell'oggetto.

Utilizzare lo sfasamento dell'onda AM

Successivamente, ilToFpuò anche utilizzare onde continue per rilevare lo sfasamento della luce riflessa per determinare profondità e distanza.

Sfasamento utilizzando l'onda AM

Modulando l'ampiezza, crea una sorgente luminosa sinusoidale con frequenza nota, consentendo al rilevatore di determinare lo sfasamento della luce riflessa utilizzando la seguente formula:

dove c è la velocità della luce (c = 3 × 10^8 m/s), λ è una lunghezza d'onda (λ = 15 m) e f è la frequenza, ogni punto sul sensore può essere facilmente calcolato in profondità.

Tutte queste cose accadono molto velocemente poiché lavoriamo alla velocità della luce.Riuscite ad immaginare la precisione e la velocità con cui i sensori sono in grado di misurare?Faccio un esempio, la luce viaggia ad una velocità di 300.000 chilometri al secondo, se un oggetto è a 5 metri da voi, la differenza di tempo tra la luce che esce dalla fotocamera e quella che ritorna è di circa 33 nanosecondi, che equivale solo a 0,000000033 secondi!Oh!Per non parlare del fatto che i dati acquisiti ti forniranno una rappresentazione digitale 3D accurata per ogni pixel dell'immagine.

Indipendentemente dal principio utilizzato, prevedere una sorgente luminosa che illumina l'intera scena consente al sensore di determinare la profondità di tutti i punti.Tale risultato fornisce una mappa della distanza in cui ciascun pixel codifica la distanza dal punto corrispondente nella scena.Di seguito è riportato un esempio di grafico dell'intervallo ToF:

Un esempio di grafico dell'intervallo ToF

Ora che sappiamo che ToF funziona, perché è buono?Perché usarlo?A cosa servono?Non preoccuparti, ci sono molti vantaggi nell'usare un sensore ToF, ma ovviamente ci sono alcune limitazioni.

3. I vantaggi dell'utilizzo dei sensori del tempo di volo

Misurazione accurata e veloce

Rispetto ad altri sensori di distanza come gli ultrasuoni o i laser, i sensori del tempo di volo sono in grado di comporre molto rapidamente un'immagine 3D di una scena.Ad esempio, una fotocamera ToF può farlo solo una volta.Non solo, il sensore ToF è in grado di rilevare oggetti con precisione in breve tempo e non è influenzato da umidità, pressione dell'aria e temperatura, rendendolo adatto sia per uso interno che esterno.

lunga distanza

Poiché i sensori ToF utilizzano laser, sono anche in grado di misurare lunghe distanze e portate con elevata precisione.I sensori ToF sono flessibili perché sono in grado di rilevare oggetti vicini e lontani di tutte le forme e dimensioni.

È anche flessibile nel senso che è possibile personalizzare l'ottica del sistema per prestazioni ottimali, scegliendo i tipi di trasmettitore e ricevitore e gli obiettivi per ottenere il campo visivo desiderato.

Sicurezza

Preoccupato che il laser delToFil sensore ti farà male agli occhi?Non preoccuparti!Molti sensori ToF ora utilizzano un laser a infrarossi a bassa potenza come sorgente luminosa e lo guidano con impulsi modulati.Il sensore soddisfa gli standard di sicurezza laser di Classe 1 per garantire che sia sicuro per l'occhio umano.

conveniente

Rispetto ad altre tecnologie di scansione 3D della profondità, come i sistemi di telecamere a luce strutturata o i telemetri laser, i sensori ToF sono molto più economici.

Nonostante tutte queste limitazioni, ToF è ancora molto affidabile e un metodo molto veloce per acquisire informazioni 3D.

4. Limitazioni del ToF

Sebbene ToF offra molti vantaggi, presenta anche dei limiti.Alcune delle limitazioni di ToF includono:

• Luce diffusa

Se superfici molto luminose sono molto vicine al sensore ToF, potrebbero disperdere troppa luce nel ricevitore e creare artefatti e riflessi indesiderati, poiché il sensore ToF deve riflettere la luce solo una volta pronta la misurazione.

• Riflessioni multiple

Quando si utilizzano sensori ToF su angoli e forme concave, possono causare riflessi indesiderati, poiché la luce può rimbalzare più volte, distorcendo la misurazione.

• Luce ambientale

L'utilizzo della fotocamera ToF all'aperto in pieno sole può rendere difficile l'utilizzo all'aperto.Ciò è dovuto all'elevata intensità della luce solare che provoca la rapida saturazione dei pixel del sensore, rendendo impossibile rilevare la luce effettiva riflessa dall'oggetto.

• La conclusione

Sensori ToF eObiettivo ToFpuò essere utilizzato in una varietà di applicazioni.Dalla mappatura 3D, all'automazione industriale, al rilevamento degli ostacoli, alle auto a guida autonoma, all'agricoltura, alla robotica, alla navigazione interna, al riconoscimento dei gesti, alla scansione di oggetti, alle misurazioni, alla sorveglianza fino alla realtà aumentata!Le applicazioni della tecnologia ToF sono infinite.

Puoi contattarci per qualsiasi esigenza di obiettivi ToF.

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Chuang An Optoelettronica ha ora prodotto una varietà diLenti TOFad esempio:

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