Cảm biến ToF (Time-of-Flight) là gì? So với triangulation và phản xạ gương

Cảm biến ToF (Time-of-Flight) đo khoảng cách bằng cách tính thời gian ánh sáng đi đến vật thể và phản xạ ngược về, khác với cảm biến triangulation (dựa vào góc tam giác giữa tia phát và tia thu) hoặc cảm biến phản xạ gương (cần một tấm gương phản xạ cố định đặt đối diện). Vì tốc độ ánh sáng là hằng số, nguyên lý ToF cho tầm hoạt động xa hơn trong cùng kích thước vỏ, không cần reflector, nhưng lại không phải lựa chọn tốt cho vật thể trong suốt.

Nguyên lý đo thời gian bay

Cảm biến ToF phát một xung ánh sáng (thường là laser) về phía vật thể. Khi ánh sáng chạm vật và phản xạ tán xạ ngược về bộ thu, cảm biến đo khoảng thời gian cực ngắn giữa lúc phát và lúc nhận. Vì tốc độ ánh sáng trong không khí là hằng số đã biết, khoảng cách được tính trực tiếp từ công thức quãng đường bằng tốc độ nhân thời gian, chia đôi (đi và về).

Vì phép tính không phụ thuộc vào góc hình học như triangulation, cảm biến ToF giữ được độ chính xác tương đối ổn định trên một dải khoảng cách rộng, kể cả khi lắp ở góc nghiêng so với vật thể.

So với cảm biến triangulation

Cảm biến triangulation (như dòng HT5B Series 5B) dùng một nguồn sáng chiếu lên vật thể, ánh sáng phản xạ về được thu bởi một cảm biến quang học đặt lệch góc. Vị trí điểm sáng rơi trên cảm biến thu thay đổi theo khoảng cách, từ đó tính ra vị trí vật thể theo tam giác hình học.

Triangulation cho độ chính xác và độ phân giải rất cao ở tầm gần (thường dưới 0,4 đến 0,7 m với cảm biến nhỏ gọn), nhưng tầm hoạt động bị giới hạn vì hình học tam giác không còn đủ độ nhạy khi khoảng cách tăng lên. Đây là lý do các cảm biến triangulation thường có vỏ nhỏ nhưng chỉ đo được khoảng cách ngắn, trong khi ToF đạt tầm xa hơn nhiều với cùng kích thước vỏ.

So với cảm biến phản xạ gương (retro-reflective)

Cảm biến phản xạ gương cần một tấm reflector đặt cố định đối diện, ánh sáng đi từ cảm biến đến gương rồi phản xạ ngược về. Khi có vật thể cắt ngang, chùm tia bị chặn và cảm biến phát hiện sự vắng mặt của tín hiệu phản xạ.

Cách này đòi hỏi công sức lắp đặt và căn chỉnh cả hai phía (cảm biến và gương), dễ gặp vấn đề khử phân cực (depolarization) khi vật thể có bề mặt phản quang nằm trong nền phía sau, và cần vệ sinh định kỳ cả gương lẫn cảm biến. Cảm biến ToF loại bỏ hoàn toàn nhu cầu reflector vì đo trực tiếp đến vật thể, giảm đáng kể công sức lắp đặt và không bị nhầm lẫn bởi vật phản quang trong nền, ví dụ áo bảo hộ phản quang của công nhân đứng phía sau băng tải.

Lợi ích của ToF trên băng tải

• Không cần reflector: lắp một phía, giảm thời gian lắp đặt và không cần căn chỉnh gương
• Tầm hoạt động xa trong vỏ nhỏ: phù hợp không gian lắp đặt hạn chế nhưng vẫn cần đo xa
• Ít nhạy với màu sắc và bề mặt vật thể: không giống cảm biến khuếch tán thông thường vốn phụ thuộc nhiều vào độ phản xạ bề mặt
• Ổn định khi lắp nghiêng góc: không bị ảnh hưởng nhiều bởi góc lắp như triangulation

Giới hạn: ToF không phù hợp cho vật thể trong suốt

Dù khắc phục được nhiều hạn chế của triangulation và phản xạ gương, cảm biến ToF vẫn dựa trên nguyên lý đo ánh sáng phản xạ tán xạ từ bề mặt vật thể. Với vật trong suốt như chai PET, thủy tinh hoặc màng film, phần lớn ánh sáng đi xuyên qua thay vì phản xạ lại đủ để tính được thời gian bay chính xác, nên ToF không phải lựa chọn phù hợp cho nhóm ứng dụng này.

Nếu cần phát hiện vật trong suốt, nên chuyển sang cảm biến phản xạ gương chuyên dụng với nguyên lý autocollimation, xem chi tiết tại cảm biến phát hiện vật thể trong suốt: nguyên lý, cách chọn và ứng dụng.

Để tìm hiểu dòng cảm biến ToF nhỏ gọn, giá tối ưu mới nhất của Leuze, xem bài ODT5B: cảm biến ToF nhỏ gọn, tầm xa 2,5 m, giá tối ưu.

Câu hỏi thường gặp