1. เซ็นเซอร์ Time-of-Flight (ToF) คืออะไร

กล้องแสดงเวลาการบินคืออะไร?เป็นกล้องที่บันทึกการบินของเครื่องบินหรือไม่?มีอะไรเกี่ยวข้องกับเครื่องบินหรือเครื่องบินหรือไม่?จริงๆแล้วมันอยู่ไกลมาก!

ToF คือการวัดเวลาที่วัตถุ อนุภาค หรือคลื่นใช้ในการเคลื่อนที่เป็นระยะทางหนึ่งคุณรู้หรือไม่ว่าระบบโซนาร์ของค้างคาวใช้งานได้ระบบเวลาบินก็คล้ายกัน!

เซ็นเซอร์บอกเวลาบินมีหลายประเภท แต่ส่วนใหญ่เป็นกล้องบอกเวลาบินและเครื่องสแกนเลเซอร์ ซึ่งใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่าลิดาร์ (การตรวจจับและกำหนดช่วงแสง) เพื่อวัดความลึกของจุดต่างๆ ในภาพด้วยการส่องแสง ด้วยแสงอินฟราเรด

ข้อมูลที่สร้างและบันทึกโดยใช้เซ็นเซอร์ ToF มีประโยชน์มาก เนื่องจากสามารถตรวจจับคนเดินถนน การตรวจสอบสิทธิ์ผู้ใช้ตามลักษณะใบหน้า การทำแผนที่สภาพแวดล้อมโดยใช้อัลกอริธึม SLAM (การแปลและการทำแผนที่พร้อมกัน) และอื่นๆ อีกมากมาย

จริงๆ แล้วระบบนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในหุ่นยนต์ รถยนต์ไร้คนขับ และแม้แต่ในอุปกรณ์มือถือของคุณในปัจจุบันตัวอย่างเช่น หากคุณใช้ Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ ฯลฯ โทรศัพท์ของคุณมีกล้อง ToF!

กล้อง ToF

2. เซ็นเซอร์เวลาบินทำงานอย่างไร?

ตอนนี้ เราอยากจะให้ข้อมูลเบื้องต้นสั้นๆ ว่าเซ็นเซอร์เวลาบินคืออะไรและทำงานอย่างไร

ทีโอเอฟเซ็นเซอร์ใช้เลเซอร์ขนาดเล็กเพื่อปล่อยแสงอินฟราเรด ซึ่งแสงที่ได้จะสะท้อนจากวัตถุใดๆ และกลับไปยังเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของเวลาระหว่างการปล่อยแสงและการย้อนกลับไปยังเซ็นเซอร์หลังจากถูกสะท้อนจากวัตถุ เซ็นเซอร์สามารถวัดระยะห่างระหว่างวัตถุและเซ็นเซอร์ได้

วันนี้เราจะสำรวจ 2 วิธีที่ ToF ใช้เวลาเดินทางเพื่อกำหนดระยะทางและความลึก: การใช้พัลส์ไทม์มิ่ง และการใช้การเปลี่ยนเฟสของคลื่นมอดูเลตแอมพลิจูด

ใช้พัลส์แบบกำหนดเวลา

ตัวอย่างเช่น ทำงานโดยการส่องสว่างเป้าหมายด้วยเลเซอร์ จากนั้นวัดแสงที่สะท้อนด้วยเครื่องสแกน จากนั้นใช้ความเร็วแสงเพื่อคาดการณ์ระยะทางของวัตถุเพื่อคำนวณระยะทางที่เคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำนอกจากนี้ ความแตกต่างของเวลาส่งคืนเลเซอร์และความยาวคลื่นจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้างการแสดงภาพ 3 มิติแบบดิจิทัลที่แม่นยำและลักษณะพื้นผิวของชิ้นงาน และแสดงแผนผังคุณลักษณะแต่ละอย่างด้วยสายตา

ดังที่คุณเห็นข้างต้น แสงเลเซอร์จะยิงออกไปแล้วสะท้อนวัตถุกลับไปที่เซ็นเซอร์ด้วยเวลาสะท้อนกลับของเลเซอร์ กล้อง ToF จึงสามารถวัดระยะทางที่แม่นยำในช่วงเวลาสั้นๆ ตามความเร็วการเคลื่อนที่ของแสง(ToF แปลงเป็นระยะทาง) นี่คือสูตรที่นักวิเคราะห์ใช้เพื่อให้ได้ระยะทางที่แน่นอนของวัตถุ:

(ความเร็วแสง x เวลาบิน) /2

ToF แปลงเป็นระยะทาง

อย่างที่คุณเห็น ตัวจับเวลาจะเริ่มขึ้นในขณะที่ไฟดับ และเมื่อเครื่องรับได้รับไฟย้อนกลับ ตัวจับเวลาจะย้อนเวลากลับไปเมื่อลบสองครั้ง จะได้ “เวลาบิน” ของแสง และความเร็วแสงจะคงที่ ดังนั้นจึงสามารถคำนวณระยะทางได้อย่างง่ายดายโดยใช้สูตรด้านบนด้วยวิธีนี้จึงสามารถกำหนดจุดทั้งหมดบนพื้นผิวของวัตถุได้

ใช้การเปลี่ยนเฟสของคลื่น AM

ต่อไปทีโอเอฟนอกจากนี้ยังสามารถใช้คลื่นต่อเนื่องเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนเฟสของแสงสะท้อนเพื่อกำหนดความลึกและระยะทาง

การเปลี่ยนเฟสโดยใช้คลื่น AM

ด้วยการปรับแอมพลิจูด จะสร้างแหล่งกำเนิดแสงไซน์ซอยด์ด้วยความถี่ที่ทราบ ช่วยให้เครื่องตรวจจับสามารถกำหนดการเปลี่ยนเฟสของแสงที่สะท้อนได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

โดยที่ c คือความเร็วแสง (c = 3 × 10^8 m/s), แลมบ์คือความยาวคลื่น (แลมบ์ = 15 ม.) และ f คือความถี่ แต่ละจุดบนเซนเซอร์สามารถคำนวณในเชิงลึกได้อย่างง่ายดาย

สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเร็วมากเมื่อเราทำงานด้วยความเร็วแสงคุณลองจินตนาการถึงความแม่นยำและความเร็วที่เซ็นเซอร์สามารถวัดได้หรือไม่ผมขอยกตัวอย่าง แสงเดินทางด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าวัตถุอยู่ห่างจากคุณ 5 เมตร ความแตกต่างของเวลาระหว่างแสงที่ออกจากกล้องกับการกลับมาคือประมาณ 33 นาโนวินาที ซึ่งเท่ากับ 0.000000033 วินาทีเท่านั้น!ว้าว!ไม่ต้องพูดถึง ข้อมูลที่บันทึกไว้จะให้การแสดงภาพดิจิทัล 3 มิติที่แม่นยำสำหรับทุกพิกเซลในภาพ

โดยไม่คำนึงถึงหลักการที่ใช้ การจัดหาแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องสว่างทั่วทั้งฉากช่วยให้เซ็นเซอร์สามารถกำหนดความลึกของจุดทั้งหมดได้ผลลัพธ์ดังกล่าวจะให้แผนที่ระยะทาง โดยแต่ละพิกเซลจะเข้ารหัสระยะทางไปยังจุดที่สอดคล้องกันในฉากต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของกราฟช่วง ToF:

ตัวอย่างกราฟช่วง ToF

ตอนนี้เรารู้แล้วว่า ToF ใช้งานได้ ทำไมมันถึงดี?ทำไมต้องใช้มัน?พวกเขามีประโยชน์อะไร?ไม่ต้องกังวล การใช้เซ็นเซอร์ ToF มีข้อดีหลายประการ แต่แน่นอนว่ายังมีข้อจำกัดอยู่บ้าง

3. ประโยชน์ของการใช้เซ็นเซอร์บอกเวลาการบิน

การวัดที่แม่นยำและรวดเร็ว

เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์วัดระยะห่างอื่นๆ เช่น อัลตราซาวนด์หรือเลเซอร์ เซ็นเซอร์เวลาบินสามารถจัดองค์ประกอบภาพ 3 มิติของฉากได้อย่างรวดเร็วตัวอย่างเช่น กล้อง ToF สามารถทำได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้นไม่เพียงเท่านั้น เซ็นเซอร์ ToF ยังสามารถตรวจจับวัตถุได้อย่างแม่นยำในเวลาอันสั้น และไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้น ความกดอากาศ และอุณหภูมิ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทั้งในร่มและกลางแจ้ง

ระยะไกล

เนื่องจากเซ็นเซอร์ ToF ใช้เลเซอร์ จึงสามารถวัดระยะทางและช่วงระยะไกลได้อย่างแม่นยำสูงเซ็นเซอร์ ToF มีความยืดหยุ่นเนื่องจากสามารถตรวจจับวัตถุใกล้และไกลทุกรูปทรงและขนาด

นอกจากนี้ยังมีความยืดหยุ่นในแง่ที่ว่าคุณสามารถปรับแต่งออปติกของระบบเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด โดยคุณสามารถเลือกประเภทตัวส่งและตัวรับและเลนส์เพื่อให้ได้ขอบเขตการมองเห็นที่ต้องการ

ความปลอดภัย

กังวลว่าเลเซอร์จากทีโอเอฟเซ็นเซอร์จะทำร้ายดวงตาคุณ?ไม่ต้องกังวล!ขณะนี้เซ็นเซอร์ ToF จำนวนมากใช้เลเซอร์อินฟราเรดพลังงานต่ำเป็นแหล่งกำเนิดแสงและขับเคลื่อนด้วยพัลส์มอดูเลตเซ็นเซอร์เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยของเลเซอร์คลาส 1 เพื่อให้แน่ใจว่าปลอดภัยต่อสายตามนุษย์

คุ้มค่า

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการสแกนช่วงความลึก 3 มิติอื่นๆ เช่น ระบบกล้องจัดแสงที่มีโครงสร้างหรือเครื่องหาระยะด้วยเลเซอร์ เซ็นเซอร์ ToF จะมีราคาถูกกว่ามากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเหล่านั้น

แม้จะมีข้อจำกัดเหล่านี้ ToF ก็ยังคงเชื่อถือได้มากและเป็นวิธีจับภาพข้อมูล 3 มิติที่รวดเร็วมาก

4. ข้อจำกัดของ ToF

แม้ว่า ToF จะมีประโยชน์มากมาย แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นกันข้อจำกัดบางประการของ ToF ได้แก่:

• แสงกระจัดกระจาย

หากพื้นผิวที่สว่างมากอยู่ใกล้กับเซ็นเซอร์ ToF ของคุณมาก พื้นผิวอาจกระจายแสงมากเกินไปไปยังตัวรับสัญญาณของคุณ และสร้างสิ่งประดิษฐ์และการสะท้อนที่ไม่ต้องการ เนื่องจากเซ็นเซอร์ ToF ของคุณจะต้องสะท้อนแสงเมื่อการวัดพร้อมเท่านั้น

• การสะท้อนกลับหลายครั้ง

เมื่อใช้เซ็นเซอร์ ToF ที่มุมและรูปทรงเว้า เซ็นเซอร์เหล่านี้อาจทำให้เกิดการสะท้อนที่ไม่ต้องการได้ เนื่องจากแสงสามารถสะท้อนกลับได้หลายครั้ง ส่งผลให้การวัดบิดเบี้ยว

• แสงโดยรอบ

การใช้กล้อง ToF กลางแจ้งท่ามกลางแสงแดดจ้าอาจทำให้การใช้งานกลางแจ้งทำได้ยากเนื่องจากความเข้มของแสงแดดที่สูงทำให้พิกเซลของเซนเซอร์อิ่มตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ไม่สามารถตรวจจับแสงที่สะท้อนจากวัตถุได้จริง

• ข้อสรุป

เซ็นเซอร์ ToF และเลนส์ ToFสามารถใช้งานได้หลากหลายตั้งแต่การทำแผนที่ 3 มิติ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม การตรวจจับสิ่งกีดขวาง รถยนต์ไร้คนขับ เกษตรกรรม หุ่นยนต์ การนำทางในอาคาร การจดจำท่าทาง การสแกนวัตถุ การวัด การเฝ้าระวัง ไปจนถึงความเป็นจริงเสริม!การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี ToF ไม่มีที่สิ้นสุด

คุณสามารถติดต่อเราหากต้องการเลนส์ ToF

Chuang An Optoelectronics มุ่งเน้นไปที่เลนส์ออปติคัลความละเอียดสูงเพื่อสร้างแบรนด์ภาพที่สมบูรณ์แบบ

ปัจจุบันจวงอันออปโตอิเล็กทรอนิกส์ได้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายเลนส์ทีโอเอฟเช่น:

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