¿Qué es un sensor ToF? Sus ventajas y desventajas

¿Qué es un sensor ToF? ¿Qué hace un sensor ToF?

No sé si estás familiarizado con los detectores de sonar, pero según Wikipedia, un detector de sonar es un dispositivo electrónico que utiliza las propiedades de las ondas sonoras que se propagan bajo el agua para realizar tareas submarinas a través de la conversión electroacústica y el procesamiento de información.
 
ToF significa Tiempo de Vuelo y el sensor ToF funciona de manera muy similar a un detector de sonar. Se utiliza para localizar objetos y realizar mediciones de distancia midiendo el tiempo que tarda la luz en reflejarse de un lado a otro desde el transductor hasta el objeto. Un transductor ToF es un tipo de transductor que mide la profundidad y la distancia a un objeto mediante el uso del Tiempo de Vuelo. A menudo, los sensores ToF también se denominan "cámaras de profundidad" o cámaras ToF.
 
Componentes clave de un sistema de cámara ToF

Un sistema de cámara de tiempo de vuelo consta de tres componentes principales:

1. Sensor ToF y módulo sensor: El sensor es el componente clave del sistema de cámara ToF. Es capaz de captar la luz reflejada y convertirla en datos de profundidad en píxeles. Cuanto mayor sea la resolución del sensor, mejor será la calidad del mapa de profundidad.
2. Fuente de luz: La cámara ToF genera una fuente de luz a través de un láser o LED. Normalmente Luz NIR (infrarroja cercana) con una longitud de onda de 850 nm a 940 nm.
3. Procesador de profundidad: Ayuda a convertir los datos de píxeles sin procesar y los datos de fase que provienen del sensor de imagen en información de profundidad. Proporciona una imagen IR (infrarroja) 2D pasiva y también ayuda en el filtrado de ruido.

 
¿Cómo funciona un sensor ToF?

Como mencionamos anteriormente, el sensor ToF mide la distancia entre el sensor y el objeto a medir midiendo la diferencia de tiempo entre la emisión y la reflexión de la luz, entonces, ¿cuáles son los pasos para realizarlo?
Estos son los pasos del sensor ToF:

1. Emisión: un pulso de luz es emitido por el emisor de luz infrarroja (IR) integrado del sensor, u otra fuente de luz ajustable (por ejemplo, láser o LED).
2. Reflexión: El pulso de luz toca un objeto y se refleja hacia el sensor.
3. Detector: Utilizando el detector incorporado del sensor, se mide el tiempo que tarda el pulso de luz en viajar desde su emisión hasta tocar el objeto y viceversa.
4. Cálculo de la distancia: utilizando el tiempo de vuelo medido y la velocidad de la luz conocida, el sensor puede calcular la distancia al objeto. La siguiente es la fórmula para calcular la distancia.

¿Cuáles son las ventajas de ToF?

bajo consumo de energía

La tecnología ToF utiliza solo una fuente de luz infrarroja para medir directamente la información de profundidad y amplitud en cada píxel. Además, ToF requiere menos procesamiento de datos de profundidad que otras técnicas de detección de profundidad con uso intensivo de algoritmos, como la luz estructurada o la visión estereoscópica, lo que ahorra energía adicional en el proceso de aplicación.

 
Alta precisión

Las cámaras con sensor TOF proporcionan mediciones de profundidad de alta precisión con pequeños errores de medición y tiempos de respuesta rápidos para aplicaciones que requieren mediciones de distancia de alta precisión.
 

tiempo real

Las cámaras con sensor TOF pueden adquirir imágenes de profundidad en tiempo real, lo que resulta útil para escenarios que requieren retroalimentación rápida y aplicaciones en tiempo real.

amplios rangos dinámicos

Las cámaras con sensor TOF tienen un amplio rango dinámico que mantiene mediciones de profundidad precisas en diferentes condiciones de iluminación, lo que las hace adecuadas para una variedad de entornos tanto interiores como exteriores.
Medición de larga distancia
Debido a que los sensores ToF utilizan láseres, pueden medir largas distancias con una precisión extrema. Como resultado, los sensores ToF tienen la flexibilidad de detectar objetos cercanos y lejanos de todas las formas y tamaños.
 

Rentable

En comparación con otras tecnologías de escaneo de rango de profundidad 3D, como la luz estructurada sistemas de cámaras o telémetros láser, los sensores ToF son relativamente económicos.
 

¿Cuál es la desventaja de TOF?

A pesar de los muchos beneficios de ToF, existen algunas limitaciones técnicas.

 
Limitaciones de la resolución

Las cámaras con sensor TOF actualmente disponibles en el mercado suelen tener una resolución baja, lo que puede no ser suficiente para aplicaciones que requieran un alto nivel de detalle.
 

Artefactos de luz dispersa

Si las superficies de los objetos a medir son particularmente brillantes y están muy cerca del sensor ToF, pueden dispersar demasiada luz en el receptor y crear artefactos y reflejos no deseados.
 

Incertidumbre de medición debido a múltiples reflexiones

Al utilizar un sensor ToF en esquinas y superficies cóncavas, la luz puede reflejarse varias veces y estos reflejos no deseados introducen una incertidumbre de medición significativa.  

La luz ambiental afecta negativamente a las mediciones

Al utilizar un sensor ToF al aire libre en un día soleado, la alta intensidad de la luz solar puede provocar una rápida saturación de los píxeles del sensor, lo que hace imposible detectar la luz real reflejada por un objeto.

 
Áreas de aplicación para cámaras con sensor ToF

Robots Industriales: Con la ayuda de un mapa de profundidad 3D en tiempo real del entorno, los robots pueden reconocer objetos y su rango de movimiento con mayor precisión. Con el reconocimiento de gestos, los robots pueden interactuar directamente con las personas en aplicaciones colaborativas. En aplicaciones industriales, los robots con cámaras 3D-ToF pueden medir con mayor precisión cualquier producto en tres dimensiones y agarrar y colocar productos con alta precisión.

Modelado 3D y Realidad Virtual: Las cámaras con sensor TOF se utilizan ampliamente en el modelado 3D y la realidad virtual. Al adquirir imágenes de profundidad de alta calidad en tiempo real, se pueden lograr reconstrucciones 3D realistas y experiencias de realidad virtual inmersivas.

Preguntas frecuentes

P: ¿ToF es lo mismo que LiDAR?

R: Tanto los sensores LiDAR como los ToF utilizan luz para medir la distancia a un objeto y crear una imagen tridimensional del entorno. Sin embargo, los LiDAR suelen utilizar láseres, mientras que los sensores ToF utilizan varios tipos de luz, como luz LED o luz infrarroja.
 
P: ¿Qué es un sensor ToF en un teléfono?

A: La cámara ToF Depth puede medir la profundidad y la distancia para llevar tu fotografía al siguiente nivel. Utiliza la velocidad conocida de la luz para medir la distancia, calculando de manera efectiva el tiempo que tarda la cámara en funcionar. Utiliza la velocidad conocida de la luz para medir la distancia, calculando de manera efectiva el tiempo que tarda el haz reflejado en regresar al sensor de la cámara.
 

Conclusión

Las cámaras con sensor TOF han demostrado tener un gran potencial de aplicación en diversos campos debido a su alta precisión en la medición de profundidad y su rendimiento en tiempo real. A pesar de las desventajas de la limitación de resolución y la interferencia de múltiples objetos, las cámaras con sensor TOF experimentarán mayores avances y mejoras con el desarrollo continuo de la tecnología.
 
Si bien existen factores como la corrección óptica, la desviación de la temperatura y otros factores que afectan la precisión de la profundidad al diseñar una cámara con sensor de profundidad basado en ToF, Sinoseen, con más de una década de experiencia en visión estereoscópica, está aquí para ayudarlo al máximo. No dude en contactarnos. Contáctenos Si necesita alguna ayuda.