1. เซ็นเซอร์วัดเวลาการเดินทางของแสง (Time-of-Flight หรือ ToF) คืออะไร?

กล้องไทม์ออฟไฟลต์คืออะไร? มันคือกล้องที่บันทึกภาพการบินของเครื่องบินใช่หรือไม่? มันเกี่ยวข้องกับเครื่องบินหรืออะไรทำนองนั้นหรือเปล่า? จริงๆ แล้วมันยังห่างไกลจากความเกี่ยวข้องนั้นมาก!

ToF (Time-of-Flight) คือการวัดเวลาที่วัตถุ อนุภาค หรือคลื่นใช้ในการเดินทางเป็นระยะทางหนึ่ง คุณรู้หรือไม่ว่าระบบโซนาร์ของค้างคาวทำงานอย่างไร? ระบบวัดเวลาในการเดินทางก็คล้ายคลึงกัน!

เซ็นเซอร์วัดระยะด้วยแสงมีหลายประเภท แต่ส่วนใหญ่จะเป็นกล้องวัดระยะด้วยแสงและเครื่องสแกนเลเซอร์ ซึ่งใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า LiDAR (Light Detection and Ranging) ในการวัดความลึกของจุดต่างๆ ในภาพโดยการส่องแสงอินฟราเรดเข้าไป

ข้อมูลที่สร้างและบันทึกโดยใช้เซ็นเซอร์ ToF มีประโยชน์อย่างมาก เนื่องจากสามารถใช้ในการตรวจจับคนเดินเท้า การตรวจสอบตัวตนผู้ใช้โดยใช้คุณลักษณะใบหน้า การสร้างแผนที่สภาพแวดล้อมโดยใช้อัลกอริธึม SLAM (การระบุตำแหน่งและการสร้างแผนที่พร้อมกัน) และอื่นๆ อีกมากมาย

ระบบนี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในหุ่นยนต์ รถยนต์ไร้คนขับ และแม้กระทั่งในอุปกรณ์มือถือของคุณในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ เป็นต้น โทรศัพท์ของคุณมีกล้อง ToF!

กล้อง ToF

2. เซ็นเซอร์วัดระยะเวลาการเดินทางของแสงทำงานอย่างไร?

ต่อไปนี้ เราจะขอแนะนำโดยสังเขปว่าเซ็นเซอร์วัดระยะเวลาการเดินทางของแสง (Time-of-Flight Sensor) คืออะไร และทำงานอย่างไร

โทฟเซ็นเซอร์ใช้เลเซอร์ขนาดเล็กปล่อยแสงอินฟราเรด โดยแสงที่เกิดขึ้นจะสะท้อนจากวัตถุใดๆ แล้วกลับมายังเซ็นเซอร์ โดยอาศัยความแตกต่างของเวลาที่เกิดขึ้นระหว่างการปล่อยแสงและการกลับมายังเซ็นเซอร์หลังจากสะท้อนจากวัตถุ เซ็นเซอร์จึงสามารถวัดระยะห่างระหว่างวัตถุกับเซ็นเซอร์ได้

วันนี้ เราจะมาสำรวจ 2 วิธีที่ ToF ใช้เวลาในการเดินทางเพื่อกำหนดระยะทางและความลึก ได้แก่ การใช้พัลส์จับเวลา และการใช้การเลื่อนเฟสของคลื่นที่ปรับความกว้างของคลื่น

ใช้พัลส์แบบกำหนดเวลา

ตัวอย่างเช่น ระบบนี้ทำงานโดยการส่องแสงเลเซอร์ไปยังเป้าหมาย จากนั้นวัดแสงสะท้อนด้วยเครื่องสแกน และใช้ความเร็วของแสงในการคาดการณ์ระยะทางของวัตถุเพื่อคำนวณระยะทางที่เดินทางไปได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ ความแตกต่างของเวลาที่แสงเลเซอร์สะท้อนกลับและความยาวคลื่นจะถูกนำมาใช้สร้างภาพ 3 มิติแบบดิจิทัลที่แม่นยำและแสดงลักษณะพื้นผิวของเป้าหมาย รวมถึงการสร้างแผนที่แสดงรายละเอียดแต่ละส่วนของเป้าหมายด้วยภาพ

ดังที่คุณเห็นด้านบน แสงเลเซอร์ถูกยิงออกไปแล้วสะท้อนจากวัตถุกลับมายังเซ็นเซอร์ ด้วยเวลาที่แสงเลเซอร์สะท้อนกลับมา กล้อง ToF จึงสามารถวัดระยะทางที่แม่นยำได้ในระยะเวลาอันสั้น เนื่องจากความเร็วของแสง (ToF แปลงเป็นระยะทาง) นี่คือสูตรที่นักวิเคราะห์ใช้ในการคำนวณระยะทางที่แน่นอนของวัตถุ:

(ความเร็วแสง x เวลาในการเดินทาง) / 2

ToF แปลงเป็นระยะทาง

ดังที่คุณเห็น ตัวจับเวลาจะเริ่มทำงานขณะที่ไฟดับ และเมื่อตัวรับได้รับแสงสะท้อนกลับ ตัวจับเวลาจะแสดงเวลาคืนกลับ เมื่อลบสองครั้งจะได้ "เวลาในการเดินทาง" ของแสง และเนื่องจากความเร็วของแสงคงที่ ดังนั้นจึงสามารถคำนวณระยะทางได้ง่ายๆ โดยใช้สูตรข้างต้น ด้วยวิธีนี้ เราสามารถกำหนดตำแหน่งของทุกจุดบนพื้นผิวของวัตถุได้

ใช้การเลื่อนเฟสของคลื่น AM

ถัดไปคือโทฟนอกจากนี้ยังสามารถใช้คลื่นต่อเนื่องในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเฟสของแสงสะท้อนเพื่อกำหนดความลึกและระยะทางได้อีกด้วย

การเปลี่ยนเฟสโดยใช้คลื่น AM

โดยการปรับแอมพลิจูด จะสร้างแหล่งกำเนิดแสงแบบไซน์ที่มีความถี่ที่ทราบค่า ทำให้ตัวตรวจจับสามารถกำหนดการเปลี่ยนแปลงเฟสของแสงสะท้อนโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

โดยที่ c คือความเร็วแสง (c = 3 × 10^8 m/s), λ คือความยาวคลื่น (λ = 15 m) และ f คือความถี่ แต่ละจุดบนเซ็นเซอร์สามารถคำนวณความลึกได้อย่างง่ายดาย

สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก เพราะเราทำงานด้วยความเร็วแสง คุณลองนึกภาพความแม่นยำและความเร็วในการวัดของเซ็นเซอร์ดูสิ ผมขอยกตัวอย่าง แสงเดินทางด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าวัตถุอยู่ห่างจากคุณ 5 เมตร ความแตกต่างของเวลาระหว่างแสงที่ออกจากกล้องและกลับมานั้นประมาณ 33 นาโนวินาที ซึ่งเท่ากับเพียง 0.000000033 วินาทีเท่านั้น! ว้าว! นอกจากนี้ ข้อมูลที่บันทึกได้จะให้ภาพดิจิทัล 3 มิติที่แม่นยำสำหรับทุกพิกเซลในภาพด้วย

ไม่ว่าจะใช้หลักการใด การจัดหาแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องสว่างทั่วทั้งฉากจะช่วยให้เซ็นเซอร์สามารถกำหนดความลึกของทุกจุดได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือแผนที่ระยะทาง ซึ่งแต่ละพิกเซลจะเข้ารหัสระยะทางไปยังจุดที่สอดคล้องกันในฉาก ตัวอย่างต่อไปนี้คือแผนที่ระยะทางแบบ ToF:

ตัวอย่างกราฟแสดงระยะทาง ToF

เมื่อเรารู้แล้วว่า ToF ทำงานได้ ทำไมมันถึงดี? ทำไมต้องใช้มัน? มันมีประโยชน์อะไรบ้าง? ไม่ต้องกังวลไป มีข้อดีมากมายในการใช้เซ็นเซอร์ ToF แต่แน่นอนว่าก็มีข้อจำกัดอยู่บ้างเช่นกัน

3. ประโยชน์ของการใช้เซ็นเซอร์วัดระยะเวลาการเดินทางของแสง (Time-of-Flight Sensors)

การวัดที่แม่นยำและรวดเร็ว

เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์วัดระยะทางชนิดอื่น เช่น อัลตราซาวนด์หรือเลเซอร์ เซ็นเซอร์แบบไทม์ออฟไฟลต์ (ToF) สามารถสร้างภาพสามมิติของฉากได้อย่างรวดเร็วมาก ตัวอย่างเช่น กล้อง ToF สามารถทำได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้น ไม่เพียงเท่านั้น เซ็นเซอร์ ToF ยังสามารถตรวจจับวัตถุได้อย่างแม่นยำในเวลาอันสั้น และไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้น ความดันอากาศ และอุณหภูมิ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทั้งในร่มและกลางแจ้ง

ระยะทางไกล

เนื่องจากเซ็นเซอร์ ToF ใช้เลเซอร์ จึงสามารถวัดระยะทางและช่วงความไกลได้อย่างแม่นยำสูง เซ็นเซอร์ ToF มีความยืดหยุ่นสูง เพราะสามารถตรวจจับวัตถุทั้งใกล้และไกลที่มีรูปร่างและขนาดต่างๆ ได้

นอกจากนี้ ระบบยังมีความยืดหยุ่นสูง คุณสามารถปรับแต่งระบบเลนส์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด โดยสามารถเลือกประเภทของตัวส่งและตัวรับ รวมถึงเลนส์เพื่อให้ได้มุมมองภาพที่ต้องการ

ความปลอดภัย

กังวลว่าแสงเลเซอร์จาก...โทฟเซ็นเซอร์จะทำร้ายดวงตาของคุณเหรอ? ไม่ต้องกังวล! เซ็นเซอร์ ToF หลายตัวในปัจจุบันใช้เลเซอร์อินฟราเรดกำลังต่ำเป็นแหล่งกำเนิดแสงและขับเคลื่อนด้วยพัลส์แบบมอดูเลต เซ็นเซอร์นี้ผ่านมาตรฐานความปลอดภัยของเลเซอร์ระดับ Class 1 เพื่อให้มั่นใจได้ว่าปลอดภัยต่อดวงตาของมนุษย์

คุ้มค่า

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการสแกนระยะความลึก 3 มิติอื่นๆ เช่น ระบบกล้องแสงโครงสร้างหรือเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ เซ็นเซอร์ ToF มีราคาถูกกว่ามาก

ถึงแม้จะมีข้อจำกัดอยู่บ้าง แต่ ToF ก็ยังคงเป็นวิธีการที่เชื่อถือได้และรวดเร็วมากในการเก็บข้อมูล 3 มิติ

4. ข้อจำกัดของ ToF

แม้ว่า ToF จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ข้อจำกัดบางประการของ ToF ได้แก่:

• แสงกระจัดกระจาย

หากพื้นผิวที่มีความสว่างสูงอยู่ใกล้กับเซ็นเซอร์ ToF มากเกินไป อาจทำให้แสงกระจายไปยังตัวรับสัญญาณมากเกินไป และสร้างสิ่งผิดปกติและการสะท้อนที่ไม่ต้องการ เนื่องจากเซ็นเซอร์ ToF จำเป็นต้องสะท้อนแสงก็ต่อเมื่อการวัดเสร็จสมบูรณ์แล้วเท่านั้น

• การสะท้อนหลายครั้ง

เมื่อใช้เซ็นเซอร์ ToF กับมุมและรูปทรงเว้า อาจเกิดการสะท้อนแสงที่ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากแสงสามารถสะท้อนหลายครั้ง ทำให้การวัดผิดเพี้ยนไปได้

• แสงโดยรอบ

การใช้งานกล้อง ToF กลางแจ้งในแสงแดดจัดอาจทำให้การใช้งานกลางแจ้งเป็นเรื่องยาก เนื่องจากความเข้มของแสงแดดสูงทำให้พิกเซลของเซ็นเซอร์อิ่มตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ไม่สามารถตรวจจับแสงที่สะท้อนจากวัตถุได้อย่างแท้จริง

• บทสรุป

เซ็นเซอร์ ToF และเลนส์ ToFสามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย ตั้งแต่การทำแผนที่ 3 มิติ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การตรวจจับสิ่งกีดขวาง รถยนต์ไร้คนขับ การเกษตร หุ่นยนต์ การนำทางภายในอาคาร การจดจำท่าทาง การสแกนวัตถุ การวัด การเฝ้าระวัง ไปจนถึงความเป็นจริงเสริม! แอปพลิเคชันของเทคโนโลยี ToF นั้นไม่มีที่สิ้นสุด

คุณสามารถติดต่อเราได้หากต้องการเลนส์ ToF ทุกประเภท

บริษัท Chuang An Optoelectronics มุ่งเน้นการผลิตเลนส์ออปติคอลความละเอียดสูงเพื่อสร้างภาพลักษณ์ที่สมบูรณ์แบบให้กับแบรนด์

บริษัท Chuang An Optoelectronics ได้ผลิตสินค้าหลากหลายประเภทแล้วเลนส์ TOFเช่น:

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