在追求更高精度和更快响应速度的距离测量技术的道路上,科学家们一直在不懈地探索。在这个过程中,他们引入了光电技术,基于光在空气中传播速度恒定的这一原理,他们提出了一个大胆的设想:通过测量光从发射到被物体反射回来的时间(即飞行时间),来计算物体与光源之间的距离。
经过无数次的实验和研究,科学家们终于成功地发明了基于飞行时间测距原理的新型传感器——TOF传感器。这一技术的诞生,不仅解决了传统距离测量方法存在的问题,还为工业自动化、自动驾驶、机器人导航等领域的发展提供了强大的技术支持。
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什么是TOF技术?
TOF(Time-Of-Flight)光电技术是一种用于测量物体距离的技术。它基于光飞行时间的原理,通过发射一定波长的光并测量光从发射到被物体反射回来的时间,从而确定物体与光源之间的距离。
飞行时间 (TOF):一种检测物体距离的技术
TOF传感器发射的信号是光信号,即光子(Photons),使用光子在两点之间传播所需的时间来计算两点之间的距离。
光子(Photons)是构成光的基本粒子。它们有不同的波长,如图所示,不同的波长的波用处不同,在之前的文章中介绍过(点击这里可跳转复习)。
常见的ToF传感器使用的是靠近红外光或者激光,常见的波长是 850 nm 和 940 nm
光子的三个关键属性如下:
1、光子携带能量
2、它们以恒定的速度行进,通常是光速
3、他们很少独自旅行
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TOF的分类
ToF传感器都使用光子在两点之间传播所需的时间来测量距离,根据发射光的调制方式不同,可以将ToF可以分为dToF(Direct-ToF,直接飞行时间)和IToF(Indirect-TOF,间接飞行时间)。
1、直接飞行时间
dToF(direct Time-of-Flight 直接飞行时间),光源被脉冲调制(Pulsed Modulation),直接TOF传感器发出仅持续几纳秒的短光脉冲,然后测量一些发射光返回所需的时间。一般采用方波脉冲调制,这是因为它用数字电路来实现相对容易。
2、间接飞行时间
iToF(indirect Time-of-Flight)间接光飞行时间,iToF原理为把发射的光调制成一定频率的周期型信号,测量该发射信号与到达被测量物反射回接收端时的相位差,间接计算出飞行时间。即是通过测量相位偏移差来间接测量光的飞行时间,而不是直接测量光飞行时间。
iToF向场景中发射调制后的红外光信号,再由传感器接收场景中待测物体反射回来的光信号,根据曝光(积分)时间内的累计电荷计算发射信号和接收信号之间的相位差,从而获取目标物体的深度。
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TOF技术原理的优势
1、测量精确快速
TOF传感器能够在短时间内准确地检测物体,并且不受湿度,气压和温度的影响,使其适合于室内和室外使用
2、测量距离长
TOF传感器具有较高的灵活性,因为它们能够检测各种形状和大小的近距离和远距离物体
3、安全
许多TOF传感器都使用低功率红外激光作为光源,并通过调制脉冲驱动它。传感器达到1类激光安全标准,可确保其对人眼的安全。
4、成本低
与其他3D深度范围扫描技术(例如结构化光相机系统或激光测距仪)相比,TOF传感器与它们相比要便宜得多。
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TOF技术的应用
使用TOF传感器生成和捕获的数据非常有用,因为它可以提供深度信息,结合相机,就可以得到3D图像,这样就可以进行行人检测,基于面部特征的用户身份验证,使用SLAM(同时定位和映射)算法的环境映射等等。TOF传感器广泛的应用在手机,机器人,智能汽车,AR等各个方面。
TOF技术通过测量光脉冲从发射到接收的时间差,可以精确计算出目标物体与传感器之间的距离。这种技术在工业自动化中至关重要,特别是在需要高精度定位和导航的应用中。
明治的TOF产品:
1、机器人导航与定位:
机器人可以通过激光雷达AS系列TOF传感器实时测量与周围物体的距离,实现自主导航和避障功能。
2、物料搬运与装配:
在生产线上,机器人可以配备TOF光电传感器PX-FM系列来进行识别和测量定位物料,实现精确的拾取和放置作业。
在工业自动化中,TOF技术以其高精度、快速响应、安全防护和性能优势等特点,为工业自动化提供了强大的技术支持。通过精确的距离测量、快速的响应能力、有效的安全防护和卓越的性能表现,TOF技术正在推动着工业自动化向着更高效、更安全、更智能的方向发展。
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