1. Čo je senzor doby letu (ToF)?

Čo je to kamera zaznamenávajúca čas letu? Je to kamera, ktorá zachytáva let lietadla? Má to niečo spoločné s lietadlami alebo lietadlami? No, je to vlastne veľmi ďaleko!

ToF je miera času, ktorý objekt, častica alebo vlna potrebuje na prekonanie určitej vzdialenosti. Vedeli ste, že sonarový systém netopiera funguje? Systém merania času letu je podobný!

Existuje mnoho druhov senzorov merania času letu, ale väčšina z nich sú kamery merajúce čas letu a laserové skenery, ktoré používajú technológiu nazývanú lidar (detekcia a meranie vzdialenosti svetla) na meranie hĺbky rôznych bodov v obraze ich osvetlením infračerveným svetlom.

Dáta generované a zachytené pomocou ToF senzorov sú veľmi užitočné, pretože dokážu poskytnúť detekciu chodcov, autentifikáciu používateľov na základe čŕt tváre, mapovanie prostredia pomocou algoritmov SLAM (simultánna lokalizácia a mapovanie) a ďalšie.

Tento systém sa v skutočnosti široko používa v robotoch, autonómnych autách a dokonca aj v mobilných zariadeniach. Napríklad, ak používate Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ atď., váš telefón má ToF kameru!

ToF kamera

2. Ako funguje senzor doby letu?

Teraz by sme vám chceli stručne vysvetliť, čo je senzor času letu a ako funguje.

ToF (Top of Function)Senzory používajú drobné lasery na vyžarovanie infračerveného svetla, kde výsledné svetlo sa odráža od akéhokoľvek objektu a vracia sa späť k senzoru. Na základe časového rozdielu medzi vyžarovaním svetla a jeho návratom k senzoru po odraze od objektu dokáže senzor zmerať vzdialenosť medzi objektom a senzorom.

Dnes preskúmame 2 spôsoby, ako ToF využíva čas prenosu na určenie vzdialenosti a hĺbky: pomocou časovacích impulzov a pomocou fázového posunu amplitúdovo modulovaných vĺn.

Používajte časované impulzy

Napríklad funguje tak, že cieľ osvetlí laserom, potom zmeria odrazené svetlo skenerom a následne použije rýchlosť svetla na extrapoláciu vzdialenosti objektu, aby presne vypočítala prejdenú vzdialenosť. Okrem toho sa rozdiel v čase návratu laseru a vlnovej dĺžke použije na vytvorenie presného digitálneho 3D znázornenia a povrchových prvkov cieľa a na vizuálne zmapovanie jeho jednotlivých prvkov.

Ako vidíte vyššie, laserové svetlo je vyžarované a potom sa odráža od objektu späť k senzoru. Vďaka času návratu laseru sú kamery ToF schopné merať presné vzdialenosti v krátkom čase vzhľadom na rýchlosť šírenia svetla. (ToF sa prepočítava na vzdialenosť) Toto je vzorec, ktorý analytik používa na určenie presnej vzdialenosti objektu:

(rýchlosť svetla x čas letu) / 2

ToF sa prepočítava na vzdialenosť

Ako vidíte, časovač sa spustí, keď je svetlo zhasnuté, a keď prijímač prijme spätné svetlo, časovač vráti čas. Dvojitým odčítaním sa získa „čas letu“ svetla a rýchlosť svetla je konštantná, takže vzdialenosť sa dá ľahko vypočítať pomocou vyššie uvedeného vzorca. Týmto spôsobom je možné určiť všetky body na povrchu objektu.

Použite fázový posun AM vlny

Ďalej,ToF (Top of Function)môže tiež použiť spojité vlny na detekciu fázového posunu odrazeného svetla na určenie hĺbky a vzdialenosti.

Fázový posun pomocou AM vlny

Moduláciou amplitúdy vytvára sínusový svetelný zdroj so známou frekvenciou, čo umožňuje detektoru určiť fázový posun odrazeného svetla pomocou nasledujúceho vzorca:

kde c je rýchlosť svetla (c = 3 × 10^8 m/s), λ je vlnová dĺžka (λ = 15 m) a f je frekvencia, každý bod na senzore sa dá ľahko vypočítať do hĺbky.

Všetky tieto veci sa dejú veľmi rýchlo, pretože pracujeme rýchlosťou svetla. Viete si predstaviť presnosť a rýchlosť, s akou sú senzory schopné merať? Dovoľte mi uviesť príklad, svetlo sa šíri rýchlosťou 300 000 kilometrov za sekundu, ak je objekt od vás vzdialený 5 m, časový rozdiel medzi opustením kamery a návratom svetla je približne 33 nanosekúnd, čo zodpovedá iba 0,000000033 sekundy! Paráda! Nehovoriac o tom, že zachytené údaje vám poskytnú presnú 3D digitálnu reprezentáciu každého pixelu v obraze.

Bez ohľadu na použitý princíp, poskytnutie zdroja svetla, ktorý osvetľuje celú scénu, umožňuje senzoru určiť hĺbku všetkých bodov. Takýto výsledok vám poskytne mapu vzdialeností, kde každý pixel kóduje vzdialenosť k zodpovedajúcemu bodu v scéne. Nasleduje príklad grafu rozsahu ToF:

Príklad grafu rozsahu ToF

Teraz, keď vieme, že ToF funguje, prečo je dobrý? Prečo ho používať? Na čo je dobrý? Nebojte sa, používanie ToF senzora má veľa výhod, ale samozrejme existujú aj určité obmedzenia.

3. Výhody používania senzorov doby letu

Presné a rýchle meranie

V porovnaní s inými senzormi vzdialenosti, ako sú ultrazvuk alebo lasery, dokážu senzory času letu veľmi rýchlo zostaviť 3D obraz scény. Napríklad ToF kamera to dokáže iba raz. Navyše, ToF senzor dokáže presne detekovať objekty v krátkom čase a nie je ovplyvnený vlhkosťou, tlakom vzduchu ani teplotou, vďaka čomu je vhodný na vnútorné aj vonkajšie použitie.

dlhé vzdialenosti

Keďže ToF senzory používajú lasery, sú schopné merať aj veľké vzdialenosti a dosahy s vysokou presnosťou. ToF senzory sú flexibilné, pretože dokážu detekovať blízke aj vzdialené objekty všetkých tvarov a veľkostí.

Je tiež flexibilný v tom zmysle, že si môžete prispôsobiť optiku systému pre optimálny výkon, kde si môžete vybrať typy vysielača a prijímača a objektívy na dosiahnutie požadovaného zorného poľa.

Bezpečnosť

Obáva sa, že laser zToF (Top of Function)Poškodí vám senzor oči? Nebojte sa! Mnoho ToF senzorov teraz používa ako zdroj svetla nízkovýkonný infračervený laser a napája ho modulovanými impulzmi. Senzor spĺňa bezpečnostné normy pre lasery triedy 1, aby sa zabezpečila jeho bezpečnosť pre ľudské oko.

nákladovo efektívne

V porovnaní s inými technológiami 3D skenovania hĺbkového rozsahu, ako sú kamerové systémy so štruktúrovaným svetlom alebo laserové diaľkomery, sú ToF senzory oveľa lacnejšie.

Napriek všetkým týmto obmedzeniam je ToF stále veľmi spoľahlivá a veľmi rýchla metóda zachytávania 3D informácií.

4. Obmedzenia ToF

Hoci ToF má mnoho výhod, má aj obmedzenia. Medzi niektoré z obmedzení ToF patria:

• Rozptýlené svetlo

Ak sú veľmi jasné povrchy veľmi blízko vášho ToF senzora, môžu rozptyľovať príliš veľa svetla do prijímača a vytvárať artefakty a nežiaduce odrazy, pretože váš ToF senzor potrebuje odrážať svetlo až po dokončení merania.

• Viacnásobné odrazy

Pri použití ToF senzorov na rohoch a konkávnych tvaroch môžu spôsobiť nežiaduce odrazy, pretože svetlo sa môže viackrát odraziť a skresliť meranie.

• Okolité svetlo

Používanie ToF kamery vonku pri jasnom slnečnom svetle môže byť náročné. Je to spôsobené vysokou intenzitou slnečného žiarenia, ktorá spôsobuje rýchle nasýtenie pixelov snímača, čím sa znemožňuje detekcia skutočného svetla odrazeného od objektu.

• Záver

ToF senzory aObjektív ToFDá sa použiť v rôznych aplikáciách. Od 3D mapovania, priemyselnej automatizácie, detekcie prekážok, autonómnych áut, poľnohospodárstva, robotiky, vnútornej navigácie, rozpoznávania gest, skenovania objektov, meraní, dohľadu až po rozšírenú realitu! Aplikácie technológie ToF sú nekonečné.

V prípade akýchkoľvek potrieb týkajúcich sa objektívov ToF nás môžete kontaktovať.

Spoločnosť Chuang An Optoelectronics sa zameriava na optické šošovky s vysokým rozlíšením, aby vytvorila dokonalú vizuálnu značku.

Spoločnosť Chuang An Optoelectronics teraz vyrába rôzneTOF objektívyako napríklad:

CH3651A f3,6mm F1,2 1/2″ IR850nm

CH3651B f3,6mm F1,2 1/2″ IR940nm

CH3652A f3,3 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3652B f3,3 mm F1,1 1/3″ IR940nm

CH3653A f3,9 mm F1,1 1/3″ IR850nm

CH3653B f3,9 mm F1,1 1/3″ IR940nm

CH3654A f5.0mm F1.1 1/3″ IR850nm

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ IR940nm