1. Kaj je senzor časa preleta (ToF)?

Kaj je kamera za merjenje časa leta? Je to kamera, ki zajame let letala? Ali ima to kakšno zvezo z letali ali letali? No, pravzaprav je to zelo daleč!

ToF je merilo časa, ki ga predmet, delec ali val potrebuje za prevoz določene razdalje. Ali ste vedeli, da deluje netopirjev sonar? Sistem za merjenje časa leta je podoben!

Obstaja veliko vrst senzorjev za merjenje časa preleta, vendar je večina kamer za merjenje časa preleta in laserskih skenerjev, ki uporabljajo tehnologijo, imenovano lidar (zaznavanje in določanje razdalje svetlobe), za merjenje globine različnih točk na sliki tako, da jih osvetlijo z infrardečo svetlobo.

Podatki, ustvarjeni in zajeti s pomočjo senzorjev ToF, so zelo uporabni, saj lahko omogočajo zaznavanje pešcev, preverjanje pristnosti uporabnikov na podlagi obraznih potez, kartiranje okolja z uporabo algoritmov SLAM (hkratna lokalizacija in kartiranje) in drugo.

Ta sistem se dejansko pogosto uporablja v robotih, avtomobilih brez voznika in celo v mobilnih napravah. Če na primer uporabljate Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ itd., ima vaš telefon ToF kamero!

ToF kamera

2. Kako deluje senzor časa preleta?

Sedaj bi radi na kratko predstavili, kaj je senzor časa preleta in kako deluje.

ToFSenzorji uporabljajo drobne laserje za oddajanje infrardeče svetlobe, pri čemer se nastala svetloba odbije od katerega koli predmeta in se vrne nazaj v senzor. Na podlagi časovne razlike med oddajanjem svetlobe in vrnitvijo v senzor po odboju od predmeta lahko senzor izmeri razdaljo med predmetom in senzorjem.

Danes bomo raziskali dva načina, kako ToF uporablja čas potovanja za določanje razdalje in globine: z uporabo časovnih impulzov in z uporabo faznega premika amplitudno moduliranih valov.

Uporabite časovno omejene impulze

Na primer, deluje tako, da tarčo osvetli z laserjem, nato z optičnim bralnikom izmeri odbito svetlobo in nato uporabi hitrost svetlobe za ekstrapolacijo razdalje predmeta, da natančno izračuna prepotovano razdaljo. Poleg tega se razlika v času laserskega vrnitve in valovni dolžini uporabi za izdelavo natančne digitalne 3D-predstavitve in površinskih značilnosti tarče ter vizualno kartiranje njenih posameznih značilnosti.

Kot lahko vidite zgoraj, se laserska svetloba odbije od predmeta in se nato odbije nazaj do senzorja. S časom vrnitve laserja lahko kamere ToF izmerijo natančne razdalje v kratkem času glede na hitrost potovanja svetlobe. (ToF se pretvori v razdaljo) To je formula, ki jo analitik uporablja za določitev natančne razdalje do predmeta:

(svetlobna hitrost x čas leta) / 2

ToF se pretvori v razdaljo

Kot lahko vidite, se bo časovnik zagnal, ko bo luč ugasnjena, in ko sprejemnik prejme povratno svetlobo, bo časovnik vrnil čas. Z dvakratnim odštevanjem dobimo "čas letenja" svetlobe, hitrost svetlobe pa je konstantna, zato lahko razdaljo enostavno izračunamo z zgornjo formulo. Na ta način je mogoče določiti vse točke na površini predmeta.

Uporabite fazni premik AM vala

NatoToFlahko uporabi tudi neprekinjene valove za zaznavanje faznega premika odbite svetlobe za določitev globine in razdalje.

Fazni premik z uporabo AM valov

Z modulacijo amplitude ustvari sinusni svetlobni vir z znano frekvenco, kar detektorju omogoča, da določi fazni premik odbite svetlobe z uporabo naslednje formule:

kjer je c hitrost svetlobe (c = 3 × 10^8 m/s), λ valovna dolžina (λ = 15 m) in f frekvenca, je mogoče vsako točko na senzorju enostavno izračunati v globino.

Vse te stvari se dogajajo zelo hitro, saj delamo s svetlobno hitrostjo. Si lahko predstavljate natančnost in hitrost, s katero so senzorji sposobni meriti? Naj navedem primer, svetloba potuje s hitrostjo 300.000 kilometrov na sekundo, če je predmet oddaljen 5 m od vas, je časovna razlika med tem, ko svetloba zapusti kamero, in tem, ko se vrne, približno 33 nanosekund, kar je enakovredno le 0,000000033 sekunde! Vau! Da ne omenjamo, da vam bodo zajeti podatki dali natančno 3D-digitalno predstavitev za vsak slikovni pik na sliki.

Ne glede na uporabljeno načelo, zagotavljanje vira svetlobe, ki osvetljuje celotno sceno, omogoča senzorju, da določi globino vseh točk. Takšen rezultat vam da zemljevid razdalj, kjer vsaka slikovna pika kodira razdaljo do ustrezne točke v sceni. Sledi primer grafa razdalje ToF:

Primer grafa razpona ToF

Zdaj, ko vemo, da ToF deluje, zakaj je dober? Zakaj ga uporabljati? Za kaj so dobri? Brez skrbi, uporaba ToF senzorja ima veliko prednosti, seveda pa obstajajo tudi nekatere omejitve.

3. Prednosti uporabe senzorjev časa preleta

Natančna in hitra meritev

V primerjavi z drugimi senzorji razdalje, kot sta ultrazvok ali laserji, lahko senzorji časa preleta zelo hitro sestavijo 3D-sliko prizora. Na primer, ToF kamera lahko to stori le enkrat. Poleg tega lahko ToF senzor natančno zazna predmete v kratkem času in nanj ne vplivajo vlažnost, zračni tlak in temperatura, zaradi česar je primeren tako za notranjo kot zunanjo uporabo.

dolge razdalje

Ker senzorji ToF uporabljajo laserje, so sposobni meriti tudi dolge razdalje in dosege z visoko natančnostjo. Senzorji ToF so prilagodljivi, saj lahko zaznajo bližnje in oddaljene predmete vseh oblik in velikosti.

Prilagodljiv je tudi v smislu, da lahko prilagodite optiko sistema za optimalno delovanje, kjer lahko izberete vrsto oddajnika in sprejemnika ter leče, da dosežete želeno vidno polje.

Varnost

Zaskrbljen, da laser izToFSenzor vam bo poškodoval oči? Brez skrbi! Številni ToF senzorji zdaj uporabljajo nizkoenergijski infrardeči laser kot vir svetlobe in ga poganjajo z moduliranimi impulzi. Senzor izpolnjuje varnostne standarde laserskega razreda 1, kar zagotavlja varnost za človeško oko.

stroškovno učinkovito

V primerjavi z drugimi tehnologijami 3D-globinskega skeniranja, kot so sistemi kamer s strukturirano svetlobo ali laserski daljinomeri, so ToF senzorji veliko cenejši.

Kljub vsem tem omejitvam je ToF še vedno zelo zanesljiva in zelo hitra metoda zajemanja 3D-informacij.

4. Omejitve ToF

Čeprav ima ToF številne prednosti, ima tudi omejitve. Nekatere omejitve ToF vključujejo:

• Razpršena svetloba

Če so zelo svetle površine zelo blizu vašega ToF senzorja, lahko razpršijo preveč svetlobe v vaš sprejemnik in povzročijo artefakte ter neželene odseve, saj mora vaš ToF senzor odbiti svetlobo šele, ko je meritev pripravljena.

• Večkratni odsevi

Pri uporabi ToF senzorjev na vogalih in konkavnih oblikah lahko pride do neželenih odbojev, saj se svetloba lahko večkrat odbije in popači meritev.

• Ambientalna svetloba

Uporaba kamere ToF na prostem pri močni sončni svetlobi lahko oteži njeno uporabo. To je posledica visoke intenzivnosti sončne svetlobe, ki povzroči hitro nasičenje slikovnih pik senzorja, zaradi česar je nemogoče zaznati dejansko svetlobo, ki se odbija od predmeta.

• Zaključek

ToF senzorji inToF objektivse lahko uporablja v različnih aplikacijah. Od 3D-kartiranja, industrijske avtomatizacije, zaznavanja ovir, avtomobilov z avtonomijo, kmetijstva, robotike, notranje navigacije, prepoznavanja gest, skeniranja objektov, meritev, nadzora do obogatene resničnosti! Uporaba tehnologije ToF je neskončna.

Za vse potrebe po ToF objektivih nas lahko kontaktirate.

Chuang An Optoelectronics se osredotoča na optične leče visoke ločljivosti, da bi ustvaril popolno vizualno blagovno znamko.

Chuang An Optoelectronics je zdaj proizvedel različneTOF objektivikot so:

CH3651A f3,6 mm F1,2 1/2″ IR850nm

CH3651B f3,6 mm 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