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解码 TOF技术 | 以光为尺,精准丈量世界之距

明治传感 2024-06-04 08:24 次阅读

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。

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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)

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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。

3

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。

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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。

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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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