Qu'est-ce qu'un capteur ToF ? Ses avantages et inconvénients

Qu'est-ce qu'un capteur ToF ? Que fait un capteur ToF ?

Je ne sais pas si vous êtes familiarisé avec les détecteurs sonar, mais selon Wikipédia, un détecteur sonar est un dispositif électronique qui utilise les propriétés des ondes sonores se propageant sous l'eau pour effectuer des tâches sous-marines grâce à la conversion électroacoustique et au traitement de l'information.
 
ToF signifie Time of Flight, et le capteur ToF fonctionne de manière très similaire à un détecteur sonar. Il est utilisé pour localiser des objets et effectuer des mesures de distance en mesurant le temps que met la lumière pour se refléter entre le transducteur et l'objet. Un transducteur ToF est un type de transducteur qui mesure la profondeur et la distance d'un objet grâce au principe du temps de vol. Souvent, les capteurs ToF sont également appelés « caméras de profondeur » ou caméras ToF.
 
Composants principaux d'un système de caméra ToF

Un système de caméra à temps de vol se compose de trois composants principaux :

1. Capteur ToF et module de capteur : Le capteur est le composant clé du système de caméra ToF. Il est capable de collecter la lumière réfléchie et de la convertir en données de profondeur sur les pixels. Plus la résolution du capteur est élevée, meilleure est la qualité de la carte de profondeur.
2. Source de Lumière : La caméra ToF génère une source lumineuse via un laser ou un LED. Habituellement, Lumière NIR (Infra-Rouge Proche) avec une longueur d'onde de 850nm à 940nm.
3. Processeur de profondeur : Aide à convertir les données brutes de pixels et les données de phase provenant du capteur d'image en informations de profondeur. Fournit une image 2D IR (infrarouge) passive et aide également au filtrage du bruit.

 
Comment un capteur ToF fonctionne-t-il ?

Comme nous l'avons mentionné plus haut, le capteur ToF mesure la distance entre le capteur et l'objet à mesurer en mesurant la différence de temps entre l'émission et la réflexion de la lumière, alors quelles sont les étapes pour la réaliser ?
Voici les étapes du capteur ToF :

1. Émission : Une impulsion lumineuse est émise par l'émetteur de lumière infrarouge (IR) intégré au capteur, ou toute autre source de lumière ajustable (par exemple, un laser ou un LED).
2. Réflexion : L'impulsion lumineuse atteint un objet et est réfléchie vers le capteur.
3. Détecteur : En utilisant le détecteur intégré du capteur, le temps mis par l'impulsion lumineuse pour aller de l'émission jusqu'à l'objet et revenir est mesuré.
4. Calcul de la distance : En utilisant le temps de vol mesuré et la vitesse de la lumière connue, le capteur peut calculer la distance jusqu'à l'objet. Voici la formule pour calculer la distance.

Quels sont les avantages du ToF ?

Faible consommation d'énergie

La technologie ToF utilise une seule source de lumière infrarouge pour mesurer directement les informations de profondeur et d'amplitude dans chaque pixel. De plus, ToF nécessite moins de traitement de données de profondeur que d'autres techniques de détection de profondeur intensivement algorithmiques comme la lumière structurée ou la vision stéréoscopique, ce qui économise ainsi de l'énergie supplémentaire sur le processeur d'application.

 
Une grande précision

Les caméras à capteurs TOF fournissent des mesures de profondeur très précises avec de faibles erreurs de mesure et des temps de réponse rapides pour les applications nécessitant des mesures de distance très précises.
 

En temps réel

Les caméras à capteurs TOF peuvent acquérir des images de profondeur en temps réel, ce qui est utile pour les scénarios nécessitant un retour rapide et des applications en temps réel.

Gamme dynamique étendue

Les caméras à capteurs TOF disposent d'une plage dynamique étendue qui permet de maintenir des mesures de profondeur précises dans différentes conditions d'éclairage, les rendant adaptées à divers environnements, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur.
Mesure à longue distance
Comme les capteurs ToF utilisent des lasers, ils sont capables de mesurer de longues distances avec une grande précision. Par conséquent, les capteurs ToF ont la flexibilité de détecter des objets proches et lointains de toutes formes et tailles.
 

Rentabilité

Comparé à d'autres technologies de balayage en profondeur 3D telles que la lumière structurée systèmes caméra ou télémètres laser, les capteurs ToF sont relativement peu coûteux.
 

Quel est l'inconvénient du TOF ?

Malgré les nombreux avantages du TOF, il existe certaines limitations techniques.

 
Limitations de résolution

Les caméras équipées de capteurs TOF disponibles sur le marché ont généralement une faible résolution, ce qui peut ne pas être suffisant pour les applications nécessitant un haut niveau de détail.
 

Artéfacts dus à la lumière dispersée

Si les surfaces des objets à mesurer sont particulièrement brillantes et très proches du capteur TOF, elles peuvent disperser trop de lumière dans le récepteur et créer des artefacts et des réflexions indésirables.
 

Incertitude de mesure due aux réflexions multiples

Lors de l'utilisation d'un capteur ToF sur des angles et des surfaces concaves, la lumière peut être réfléchie plusieurs fois, et ces réflexions indésirables introduisent une incertitude de mesure significative.  

La lumière ambiante affecte négativement les mesures

Lors de l'utilisation d'un capteur ToF en plein air par une journée ensoleillée, l'intensité élevée de la lumière solaire peut provoquer une saturation rapide des pixels du capteur, rendant impossible la détection de la lumière réellement réfléchie par un objet.

 
Domaines d'application des caméras à capteurs ToF

Robots industriels : Avec l'aide d'une carte de profondeur 3D en temps réel de l'environnement, les robots sont capables de reconnaître les objets et leur champ de mouvement avec plus de précision. Avec la reconnaissance de gestes, les robots peuvent interagir directement avec les humains dans des applications collaboratives. Dans les applications industrielles, les robots équipés de caméras 3D-ToF peuvent mesurer plus précisément tout produit en trois dimensions et saisir et placer les produits avec une grande précision.

modélisation 3D et Réalité Virtuelle : Les caméras à capteur TOF sont largement utilisées dans la modélisation 3D et la réalité virtuelle. En acquérant des images de profondeur de haute qualité en temps réel, une reconstruction 3D réaliste et des expériences immersives de réalité virtuelle peuvent être réalisées.

FAQ

Q : Le TOF est-il identique au LiDAR ?

R : Les deux technologies LiDAR et TOF utilisent la lumière pour mesurer la distance jusqu'à un objet et créer une image 3D de l'environnement. Mais le LiDAR utilise généralement des lasers, tandis que les capteurs TOF utilisent différents types de lumière, tels que la lumière LED ou infrarouge.
 
Q : Qu'est-ce qu'un capteur TOF sur un téléphone ?

R : L'appareil photo de profondeur TOF peut évaluer la profondeur et la distance pour améliorer vos photos. Il utilise la vitesse connue de la lumière pour mesurer la distance, calculant efficacement le temps nécessaire pour que le faisceau réfléchi retourne au capteur de l'appareil photo.
 

Conclusion

Les caméras à capteurs TOF ont montré un grand potentiel pour des applications dans divers domaines grâce à leur haute précision de mesure de profondeur et à leurs performances en temps réel. Malgré les inconvénients liés à la limitation de la résolution et aux interférences entre plusieurs objets, les caméras à capteurs TOF verront des percées et des améliorations plus importantes avec le développement continu de la technologie.
 
Bien que des facteurs tels que la correction optique et le drift de température affectent la précision de la profondeur dans la conception d'une caméra à capteur de profondeur basée sur ToF, Sinoseen, avec plus d'une décennie d'expérience en vision stéréoscopique, est là pour vous aider au maximum. N'hésitez pas à contactez-nous si vous avez besoin d'aide.