1. Що таке датчик часу прольоту (ToF)?

Що таке камера, що фіксує час польоту? Це камера, яка фіксує політ літака? Чи має вона якесь відношення до літаків чи самохідних літаків? Ну, насправді це дуже далеко!

ToF (час польоту) – це міра часу, необхідного об'єкту, частинці або хвилі для подолання певної відстані. Чи знаєте ви, що працює гідролокатор кажана? Система вимірювання часу польоту схожа на неї!

Існує багато видів датчиків часу прольоту, але більшість із них – це камери з часом прольоту та лазерні сканери, які використовують технологію під назвою лідар (визначення світла та дальність) для вимірювання глибини різних точок на зображенні шляхом освітлення їх інфрачервоним світлом.

Дані, що генеруються та збираються за допомогою датчиків ToF, дуже корисні, оскільки вони можуть забезпечити виявлення пішоходів, автентифікацію користувачів на основі рис обличчя, картографування середовища за допомогою алгоритмів SLAM (одночасна локалізація та картографування) тощо.

Ця система насправді широко використовується в роботах, безпілотних автомобілях і навіть зараз у ваших мобільних пристроях. Наприклад, якщо ви користуєтеся Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro, LG G8 ThinQ тощо, ваш телефон має ToF-камеру!

Камера ToF

2. Як працює датчик часу прольоту?

Тепер ми хотіли б коротко розповісти про те, що таке датчик часу прольоту та як він працює.

Точка можливостейДатчики використовують крихітні лазери для випромінювання інфрачервоного світла, де отримане світло відбивається від будь-якого об'єкта та повертається до датчика. Виходячи з різниці в часі між випромінюванням світла та його поверненням до датчика після відбиття від об'єкта, датчик може вимірювати відстань між об'єктом та датчиком.

Сьогодні ми розглянемо 2 способи, як ToF використовує час проходження для визначення відстані та глибини: за допомогою імпульсів синхронізації та за допомогою фазового зсуву амплітудно-модульованих хвиль.

Використовуйте імпульси за часом

Наприклад, він працює, освітлюючи ціль лазером, потім вимірюючи відбите світло сканером, а потім використовуючи швидкість світла для екстраполяції відстані до об'єкта, щоб точно розрахувати пройдену відстань. Крім того, різниця в часі повернення лазера та довжині хвилі потім використовується для створення точного цифрового 3D-зображення та характеристик поверхні цілі, а також візуального відображення її окремих рис.

Як видно вище, лазерне світло випромінюється, а потім відбивається від об'єкта назад до датчика. Завдяки часу повернення лазера, ToF-камери здатні вимірювати точні відстані за короткий проміжок часу, враховуючи швидкість поширення світла. (ToF перетворюється на відстань) Це формула, яку аналітик використовує для визначення точної відстані до об'єкта:

(швидкість світла x час польоту) / 2

ToF конвертує у відстань

Як бачите, таймер запуститься, коли світло вимкнене, і коли приймач отримає зворотне світло, таймер поверне час. При відніманні двічі отримується «час прольоту» світла, а швидкість світла є постійною, тому відстань можна легко обчислити за наведеною вище формулою. Таким чином, можна визначити всі точки на поверхні об'єкта.

Використовуйте фазовий зсув AM-хвилі

Далі,Точка можливостейтакож може використовувати безперервні хвилі для виявлення фазового зсуву відбитого світла для визначення глибини та відстані.

Фазовий зсув за допомогою AM-хвилі

Модулюючи амплітуду, він створює синусоїдальне джерело світла з відомою частотою, що дозволяє детектору визначити фазовий зсув відбитого світла за такою формулою:

де c – швидкість світла (c = 3 × 10^8 м/с), λ – довжина хвилі (λ = 15 м), а f – частота, кожну точку на датчику можна легко розрахувати в глибину.

Усе це відбувається дуже швидко, оскільки ми працюємо зі швидкістю світла. Чи можете ви уявити собі точність і швидкість, з якою датчики здатні вимірювати? Дозвольте мені навести приклад: світло поширюється зі швидкістю 300 000 кілометрів за секунду, якщо об'єкт знаходиться на відстані 5 м від вас, різниця в часі між виходом світла з камери та поверненням становить близько 33 наносекунди, що еквівалентно лише 0,000000033 секунди! Вау! Не кажучи вже про те, що отримані дані нададуть вам точне 3D-цифрове представлення кожного пікселя зображення.

Незалежно від використовуваного принципу, забезпечення джерела світла, яке освітлює всю сцену, дозволяє датчику визначити глибину всіх точок. Такий результат дає вам карту відстаней, де кожен піксель кодує відстань до відповідної точки в сцені. Нижче наведено приклад графіка діапазону ToF:

Приклад графіка діапазону ToF

Тепер, коли ми знаємо, що ToF працює, чому це добре? Навіщо його використовувати? Для чого вони потрібні? Не хвилюйтеся, використання ToF-сенсора має багато переваг, але, звичайно, є й деякі обмеження.

3. Переваги використання датчиків часу прольоту

Точне та швидке вимірювання

Порівняно з іншими датчиками відстані, такими як ультразвук або лазери, датчики часу прольоту здатні дуже швидко створювати 3D-зображення сцени. Наприклад, ToF-камера може зробити це лише один раз. Більше того, ToF-датчик здатний точно виявляти об'єкти за короткий час і не залежить від вологості, тиску повітря та температури, що робить його придатним для використання як у приміщенні, так і на вулиці.

довга дистанція

Оскільки датчики ToF використовують лазери, вони також здатні вимірювати великі відстані та діапазони з високою точністю. Датчики ToF є гнучкими, оскільки вони здатні виявляти близькі та далекі об'єкти будь-яких форм та розмірів.

Він також гнучкий у тому сенсі, що ви можете налаштувати оптику системи для оптимальної продуктивності, вибираючи типи передавача та приймача, а також об'єктиви для отримання бажаного поля зору.

Безпека

Стурбований тим, що лазер відТочка можливостейЧи зашкодить датчик вашим очам? Не хвилюйтеся! Багато датчиків ToF зараз використовують малопотужний інфрачервоний лазер як джерело світла та випромінюють його модульованими імпульсами. Датчик відповідає стандартам лазерної безпеки класу 1, що гарантує його безпеку для людського ока.

економічно вигідний

Порівняно з іншими технологіями 3D-сканування глибинного діапазону, такими як системи камер зі структурованим світлом або лазерні далекоміри, датчики ToF набагато дешевші.

Незважаючи на всі ці обмеження, ToF все ще є дуже надійним і дуже швидким методом отримання 3D-інформації.

4. Обмеження ToF

Хоча ToF має багато переваг, він також має обмеження. Деякі з обмежень ToF включають:

• Розсіяне світло

Якщо дуже яскраві поверхні знаходяться дуже близько до вашого ToF-сенсора, вони можуть розсіювати занадто багато світла на ваш приймач і створювати артефакти та небажані відблиски, оскільки вашому ToF-сенсору потрібно відбивати світло лише після того, як вимірювання готове.

• Кілька відображень

Під час використання датчиків ToF на кутах та увігнутих формах вони можуть спричиняти небажані відблиски, оскільки світло може відбиватися кілька разів, спотворюючи вимірювання.

• Розсіяне світло

Використання ToF-камери на вулиці за яскравого сонячного світла може ускладнити її використання. Це пов'язано з високою інтенсивністю сонячного світла, яка призводить до швидкого насичення пікселів сенсора, що унеможливлює виявлення фактичного світла, відбитого від об'єкта.

• Висновок

ToF-сенсори таОб'єктив ToFможе використовуватися в різних сферах застосування. Від 3D-картографування, промислової автоматизації, виявлення перешкод, автомобілів з автономним керуванням, сільського господарства, робототехніки, навігації в приміщеннях, розпізнавання жестів, сканування об'єктів, вимірювань, спостереження до доповненої реальності! Застосування технології ToF безмежне.

Ви можете зв'язатися з нами з будь-якими потребами щодо ToF-об'єктивів.

Chuang An Optoelectronics спеціалізується на оптичних лінзах високої чіткості для створення ідеального візуального бренду

Компанія Chuang An Optoelectronics зараз виробляє різноманітніTOF-лінзитакі як:

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″ ІЧ850нм

CH3654B f5.0mm F1.1 1/3″ ІЧ940нм