กล้อง TOF คืออะไร และทำงานอย่างไร?

TOF 3DCอเมร่า

กล้อง TOF 3D สร้างขึ้นด้วยเทคโนโลยีการสร้างภาพสามมิติที่ทันสมัยที่สุด กล้องวัดความลึก TOF (Time of Flight) เป็นผลิตภัณฑ์เทคโนโลยีการตรวจจับระยะทางและการสร้างภาพสามมิติรุ่นใหม่ล่าสุด โดยจะส่งพัลส์แสงไปยังเป้าหมายอย่างต่อเนื่อง จากนั้นใช้เซ็นเซอร์รับแสงที่สะท้อนกลับมาจากวัตถุ และหาค่าระยะห่างของวัตถุเป้าหมายโดยการตรวจจับเวลาการเดินทาง (ไป-กลับ) ของพัลส์แสง

กล้อง TOF โดยทั่วไปใช้วิธีการวัดระยะทางแบบเวลาเดินทาง (Time-of-Flight: TOF) กล่าวคือ เมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิก ฯลฯ จะทำการวัด และคุณจะสามารถเข้าใจระยะทางได้ดียิ่งขึ้น การวัดระยะทางนี้สามารถทำได้ผ่านลำแสง ดังนั้นข้อดีในการใช้งานจริงจึงชัดเจนมาก เมื่อใช้กล้องนี้ ขนาดสามารถวัดได้โดยการถ่ายภาพ ซึ่งสะดวกมาก และวิธีการใช้งานนี้คือการสะท้อนแสง ทำให้สามารถทราบระยะทางได้โดยการคำนวณเวลาสะท้อนกลับ และสามารถรับการรับรู้ที่เหมาะสมยิ่งขึ้นผ่านเซ็นเซอร์ ข้อดีของการใช้กล้องชนิดนี้ชัดเจนมาก ไม่เพียงแต่พิกเซลจะสูงกว่า แต่การเพิ่มเซ็นเซอร์นี้ยังทำให้การได้มาซึ่งแผนที่ขนาดมีความสมจริงมากขึ้น และไม่จำเป็นต้องมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ และสามารถได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าโดยการวัดเพียงอย่างเดียว เป็นประโยชน์อย่างมากในการใช้งานจริง ไม่ว่าจะเป็นการกำหนดตำแหน่งหรือการวัด ตราบใดที่คุณมีกล้องชนิดนี้ คุณก็สามารถเป็นดวงตาของเครื่องจักรและอุปกรณ์ต่างๆ ในการใช้งานจริงได้มากขึ้น และทำให้การทำงานอัตโนมัติสมบูรณ์อย่างแท้จริง

กล้อง TOF สามารถหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางขณะใช้งานได้โดยอัตโนมัติ ด้วยประสิทธิภาพการตรวจจับ ทำให้สามารถใช้งานระบบอัตโนมัติได้อย่างมีประสิทธิภาพ และข้อดีของการใช้กล้องนี้ชัดเจนมาก ไม่เพียงแต่จะสามารถทราบปริมาตรและข้อมูลได้ทันเวลาเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดการสินค้าด้วยระบบอัตโนมัติ เร่งการปรับปรุงประสิทธิภาพ และให้ประโยชน์อย่างมากในการวัดระยะทางและการแสดงภาพ หัวใจสำคัญของกล้องนี้คือการให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า และด้วยการกระตุ้นด้วยพัลส์ คุณสามารถทราบรายละเอียดของเป้าหมายได้ ไม่เพียงแต่สามารถติดตามได้เท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างแบบจำลองสามมิติจากภาพได้ ซึ่งเรียกได้ว่ามีความแม่นยำสูง

ยังไงท็อตกล้องใช้งานได้

กล้อง TOF ใช้ระบบตรวจจับแสงแบบแอคทีฟ และโดยทั่วไปจะประกอบด้วยส่วนประกอบดังต่อไปนี้:

1. หน่วยฉายรังสี

หน่วยฉายแสงจำเป็นต้องปรับความถี่ของแหล่งกำเนิดแสงก่อนที่จะปล่อยออกมา และความถี่ของพัลส์แสงที่ปรับแล้วอาจสูงถึง 100 เมกะเฮิร์ตซ์ ส่งผลให้แหล่งกำเนิดแสงเปิดและปิดหลายพันครั้งในระหว่างการถ่ายภาพ แต่ละพัลส์แสงมีความยาวเพียงไม่กี่นาโนวินาที พารามิเตอร์เวลาเปิดรับแสงของกล้องจะเป็นตัวกำหนดจำนวนพัลส์ต่อภาพ

เพื่อให้ได้การวัดที่แม่นยำ พัลส์แสงจะต้องถูกควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้มีระยะเวลา เวลาเพิ่มขึ้น และเวลาลดลงที่เท่ากันทุกประการ เพราะแม้แต่ความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยแค่หนึ่งนาโนวินาทีก็อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดระยะทางได้ถึง 15 เซนติเมตร

ความถี่ในการมอดูเลชั่นและความแม่นยำสูงเช่นนี้ สามารถทำได้ด้วย LED หรือเลเซอร์ไดโอดที่มีความซับซ้อนเท่านั้น

โดยทั่วไป แหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ในการฉายรังสีจะเป็นแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด ซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า

2. เลนส์ออปติคอล

เลนส์ชนิดนี้ใช้สำหรับรวบรวมแสงสะท้อนและสร้างภาพบนเซ็นเซอร์รับภาพ อย่างไรก็ตาม ต่างจากเลนส์ทั่วไป เลนส์ชนิดนี้จำเป็นต้องเพิ่มตัวกรองแบบแถบความถี่เพื่อให้แน่ใจว่าเฉพาะแสงที่มีความยาวคลื่นเดียวกันกับแหล่งกำเนิดแสงเท่านั้นที่จะผ่านเข้ามาได้ จุดประสงค์ของตัวกรองนี้คือเพื่อลดแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่สอดคล้องกันเพื่อลดสัญญาณรบกวน ในขณะเดียวกันก็ป้องกันไม่ให้เซ็นเซอร์รับภาพได้รับแสงมากเกินไปเนื่องจากการรบกวนจากแสงภายนอก

3. เซนเซอร์รับภาพ

หัวใจหลักของกล้อง TOF คือโครงสร้างของเซ็นเซอร์ ซึ่งคล้ายกับเซ็นเซอร์รับภาพทั่วไป แต่มีความซับซ้อนกว่า โดยประกอบด้วยชัตเตอร์ 2 ตัวขึ้นไปเพื่อเก็บตัวอย่างแสงสะท้อนในช่วงเวลาต่างๆ ดังนั้น พิกเซลของชิป TOF จึงมีขนาดใหญ่กว่าพิกเซลของเซ็นเซอร์รับภาพทั่วไปมาก โดยทั่วไปจะมีขนาดประมาณ 100 ไมโครเมตร

4. หน่วยควบคุม

ลำดับของพัลส์แสงที่ถูกกระตุ้นโดยหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ของกล้องจะซิงโครไนซ์อย่างแม่นยำกับการเปิด/ปิดชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ของชิป จากนั้นจะทำการอ่านและแปลงค่าประจุของเซ็นเซอร์และส่งไปยังหน่วยวิเคราะห์และอินเทอร์เฟซข้อมูล

5. หน่วยประมวลผล

หน่วยประมวลผลสามารถบันทึกแผนที่ความลึกที่แม่นยำได้ แผนที่ความลึกมักเป็นภาพขาวดำ โดยแต่ละค่าแสดงถึงระยะห่างระหว่างพื้นผิวสะท้อนแสงกับกล้อง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้น มักจะต้องทำการปรับเทียบข้อมูล

TOF วัดระยะทางได้อย่างไร?

โดยทั่วไปแหล่งกำเนิดแสงส่องสว่างจะถูกปรับด้วยพัลส์คลื่นสี่เหลี่ยม เนื่องจากค่อนข้างง่ายต่อการใช้งานในวงจรดิจิทัล พิกเซลแต่ละพิกเซลของกล้องวัดความลึกประกอบด้วยหน่วยรับแสง (เช่น โฟโตไดโอด) ซึ่งสามารถแปลงแสงที่ตกกระทบเป็นกระแสไฟฟ้า หน่วยรับแสงเชื่อมต่อกับสวิตช์ความถี่สูงหลายตัว (G1, G2 ในรูปด้านล่าง) เพื่อนำกระแสไฟฟ้าไปยังตัวเก็บประจุต่างๆ ที่สามารถเก็บประจุได้ (S1, S2 ในรูปด้านล่าง)

หน่วยควบคุมบนกล้องจะเปิดและปิดแหล่งกำเนิดแสง ส่งคลื่นแสงออกมา ในขณะเดียวกัน หน่วยควบคุมจะเปิดและปิดชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์บนชิป ประจุ S₀พัลส์แสงที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้จะถูกบันทึกไว้บนองค์ประกอบไวแสง

จากนั้น หน่วยควบคุมจะเปิดและปิดแหล่งกำเนิดแสงเป็นครั้งที่สอง คราวนี้ชัตเตอร์จะเปิดช้าลง ณ จุดเวลาที่แหล่งกำเนิดแสงถูกปิด ประจุ S₁ข้อมูลที่สร้างขึ้นจะถูกจัดเก็บไว้บนองค์ประกอบไวแสงด้วยเช่นกัน

เนื่องจากระยะเวลาของพัลส์แสงแต่ละครั้งสั้นมาก กระบวนการนี้จึงต้องทำซ้ำหลายพันครั้งจนกว่าจะถึงเวลาที่กำหนด จากนั้นจึงอ่านค่าจากเซ็นเซอร์วัดแสง และคำนวณระยะทางจริงจากค่าเหล่านั้น

โปรดทราบว่าความเร็วแสงคือ c, t_pS คือระยะเวลาของพัลส์แสง₀แสดงถึงประจุที่สะสมโดยชัตเตอร์ก่อนหน้า และ S₁โดยที่ d แทนประจุที่เก็บรวบรวมโดยชัตเตอร์หน่วงเวลา จากนั้นสามารถคำนวณระยะทาง d ได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

ระยะทางที่วัดได้น้อยที่สุดคือเมื่อประจุทั้งหมดถูกสะสมใน S0 ในช่วงเวลาชัตเตอร์ก่อนหน้า และไม่มีประจุใดถูกสะสมใน S1 ในช่วงเวลาชัตเตอร์ที่ล่าช้า กล่าวคือ S1 = 0 การแทนค่าลงในสูตรจะให้ระยะทางที่วัดได้น้อยที่สุด d=0

ระยะทางที่วัดได้สูงสุดคือจุดที่ประจุทั้งหมดถูกสะสมใน S1 และไม่มีประจุใด ๆ ถูกสะสมใน S0 เลย สูตรจึงให้ผลลัพธ์เป็น d = 0.5 x c × tp ดังนั้นระยะทางที่วัดได้สูงสุดจึงถูกกำหนดโดยความกว้างของพัลส์แสง ตัวอย่างเช่น ถ้า tp = 50 ns เมื่อแทนค่าลงในสูตรข้างต้น ระยะทางที่วัดได้สูงสุดคือ d = 7.5 เมตร

การออกแบบฮาร์ดแวร์และคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์

ใช้ฮาร์ดแวร์ TOF ที่ทันสมัยที่สุดในโลก เลเซอร์ระดับความปลอดภัย Class I ความละเอียดพิกเซลสูง กล้องระดับอุตสาหกรรม ขนาดเล็ก สามารถใช้เก็บข้อมูลความลึกระยะไกลทั้งในร่มและกลางแจ้งได้

อัลกอริทึมการประมวลผลภาพ

ด้วยการใช้อัลกอริทึมการประมวลผลและวิเคราะห์ภาพชั้นนำของโลก ทำให้มีประสิทธิภาพการประมวลผลสูง ใช้ทรัพยากร CPU น้อย มีความแม่นยำสูง และเข้ากันได้ดีกับระบบต่างๆ

แอปพลิเคชัน

กล้องดิจิทัลอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ในระบบอัตโนมัติในโรงงาน การนำทาง AGV การวัดพื้นที่ การจราจรและการขนส่งอัจฉริยะ (ITS) และการแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ กล้องสแกนพื้นที่ กล้องสแกนเส้น และกล้องเครือข่ายของเราถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการวัดตำแหน่งและทิศทางของวัตถุ การตรวจสอบกิจกรรมและสถานะของผู้ป่วย การจดจำใบหน้า การตรวจสอบการจราจร การตรวจสอบอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ การนับจำนวนคนและการวัดคิว และสาขาอื่นๆ

www.hampotech.com

fairy@hampotech.com