Cảm biến ToF là gì? Cách hoạt động và ứng dụng

Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao camera trên điện thoại lại làm mờ phông nền một cách hoàn hảo? Hoặc vì sao robot hút bụi lại di chuyển linh hoạt khắp nhà mà không va chạm? Bí mật đằng sau đó chính là cảm biến ToF.

Table of Contents

Cảm biến ToF là gì?

Cảm biến ToF (viết tắt của Time-of-Flight) là một thiết bị đo khoảng cách bằng cách sử dụng xung ánh sáng. Nó hoạt động dựa trên một nguyên lý đơn giản: cảm biến sẽ phát ra một xung ánh sáng cực ngắn (thường là tia laser hoặc LED) và đo thời gian ánh sáng đó đi đến vật thể rồi phản xạ trở lại.

Vì tốc độ ánh sáng là không đổi, cảm biến có thể tính toán khoảng cách đến vật thể một cách nhanh chóng và chính xác. Cách này cũng tương tự như khi bạn nghe tiếng vang. Khi bạn hét trong một thung lũng, thời gian âm thanh vọng lại sẽ cho bạn biết khoảng cách đến vách núi đối diện. Cảm biến ToF cũng làm điều tương tự, nhưng với ánh sáng và độ chính xác cực cao.

So sánh Cảm biến ToF với các công nghệ 3D khác

Ngoài ToF, còn có hai công nghệ khác cũng được dùng để thu thập thông tin 3D:

Camera lập thể (Stereo Cameras): Hệ thống này giống với cách mắt người nhìn, sử dụng hai ống kính riêng biệt. Sự khác biệt nhỏ giữa hai hình ảnh này giúp tính toán độ sâu và khoảng cách.
Ánh sáng có cấu trúc (Structured Light): Phương pháp này chiếu một mẫu ánh sáng đã biết (ví dụ như lưới) lên vật thể. Bằng cách phân tích độ biến dạng của mẫu này trên bề mặt vật thể, hệ thống có thể xác định hình dạng và khoảng cách.

Mỗi công nghệ đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng. Một ưu điểm lớn của ToF là khả năng hoạt động tốt trong bóng tối, vì nó tự phát ra ánh sáng riêng. Ngược lại, ToF có thể gặp khó khăn khi làm việc dưới ánh sáng mặt trời mạnh hoặc trên các bề mặt bóng loáng, vì ánh sáng từ mặt trời hoặc sự phản chiếu có thể gây nhầm lẫn cho cảm biến.

Các loại Cảm biến ToF chính: Quang học và Điện từ

Về cơ bản, cảm biến ToF có hai loại chính dựa trên loại sóng mà chúng sử dụng:

Cảm biến ToF quang học: Loại phổ biến nhất này dùng xung ánh sáng, thường là tia hồng ngoại (IR), để đo khoảng cách. Ánh sáng được phát ra, phản xạ và được cảm biến thu lại, từ đó tính toán khoảng cách dựa trên thời gian di chuyển.
Cảm biến ToF điện từ: Loại này sử dụng sóng điện từ như radar hoặc lidar. Nguyên lý hoạt động tương tự: sóng được phát ra, phản xạ và thời gian di chuyển được đo để tính toán khoảng cách.

Ứng dụng của cảm biến ToF

Với độ chính xác cao và tính linh hoạt, cảm biến ToF được tích hợp trong rất nhiều sản phẩm và hệ thống mà chúng ta dùng hàng ngày. Dưới đây là 10 ví dụ điển hình:

Robot: Cảm biến ToF giúp robot tránh chướng ngại vật và di chuyển. Từ robot hút bụi như Roomba đến các mẫu robot phức tạp hơn như Atlas của Boston Dynamics, chúng đều cần ToF để cảm nhận môi trường xung quanh.
Hệ thống an ninh: Cảm biến ToF được dùng để phát hiện chuyển động và sự xuất hiện của kẻ đột nhập, kích hoạt chuông báo động hoặc camera giám sát.
Ô tô: Đây là thành phần cốt lõi của các hệ thống hỗ trợ lái xe. Các tính năng như kiểm soát hành trình thích ứng hay tránh va chạm đều dựa vào ToF để đo khoảng cách đến các xe khác và vật thể, giúp phòng ngừa tai nạn.
Y tế: Công nghệ ToF được ứng dụng trong các phương pháp chẩn đoán không xâm lấn, như Chụp cắt lớp quang học (OCT), tạo ra hình ảnh chất lượng cao của các mô cơ thể.
Công nghiệp: Trong nhà máy và kho bãi, ToF rất quan trọng cho tự động hóa. Chúng dùng để xử lý vật liệu, định vị vật thể trên băng chuyền và hướng dẫn các phương tiện tự lái.
Thiết bị điện tử: Cảm biến ToF có mặt trong các thiết bị hàng ngày của chúng ta. Điện thoại thông minh dùng ToF cho nhận diện khuôn mặt, máy tính bảng và laptop có thể dùng để nhận diện cử chỉ.
Máy bay không người lái (Drone): Drone trang bị ToF được dùng để lập bản đồ cây trồng, ước tính năng suất trong nông nghiệp, giúp nông dân quản lý tài nguyên hiệu quả hơn.
Bán lẻ: Các nhà bán lẻ dùng cảm biến ToF để theo dõi chuyển động của khách hàng, phân tích thói quen mua sắm và giám sát lượng hàng tồn kho.
Khảo sát: Trong lĩnh vực khảo sát địa hình, ToF được dùng để lập bản đồ địa hình và đo đạc đất đai, đo khoảng cách đến các tòa nhà, cây cối, và các mốc khác một cách chính xác.
Trò chơi điện tử: ToF đã cách mạng hóa ngành game bằng cách theo dõi chuyển động của người chơi. Các thiết bị như Nintendo Wii và Xbox Kinect đã dùng công nghệ này để tạo ra trải nghiệm game sống động và tương tác hơn.

Tiến bộ công nghệ ToF: Ví dụ từ Baumer

Những công ty như Baumer đang đi đầu trong việc cải tiến công nghệ ToF. Các cảm biến mới nhất của họ, như OT200 và OT330, là ví dụ hoàn hảo cho sự tiến bộ này. Chúng kết hợp hiệu suất cao với kích thước cực kỳ nhỏ gọn.

Cụ thể, OT200 là cảm biến ToF nhỏ gọn nhất trên thị trường, nhưng lại có vùng mù nhỏ nhất và phạm vi hoạt động lên đến 2 mét. Mẫu OT330 lớn hơn một chút với phạm vi lên đến 2.5 mét. Cả hai đều được thiết kế để dễ dàng lắp đặt và bảo trì, giúp giảm chi phí.

Những cảm biến mới này cũng sử dụng tia laser hồng ngoại, ít bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt, hay ánh sáng môi trường so với các nguồn sáng khác. Nhờ đó, chúng hoạt động rất đáng tin cậy trong nhiều môi trường, từ nhà máy bụi bặm đến các hệ thống hậu cần phức tạp.

Servo Dynamics Engineering: Nhà phân phối được ủy quyền của Baumer tại Việt Nam

Là nhà cung cấp giải pháp công nghiệp hàng đầu, Servo Dynamics Engineering tự hào là nhà phân phối chính thức các sản phẩm Baumer tại Việt Nam. Chúng tôi cung cấp danh mục cảm biến Baumer tiên tiến, bao gồm cả các cảm biến ToF OT200 và OT330 mới, mang đến cho khách hàng những công nghệ chất lượng cao và tiên tiến nhất trên thị trường.

Tại Servo Dynamics Engineering, chúng tôi không chỉ bán sản phẩm—chúng tôi còn cung cấp chuyên môn. Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn tìm ra giải pháp cảm biến ToF hoàn hảo cho từng ứng dụng cụ thể, đảm bảo hiệu suất và hiệu quả tối ưu. Dù bạn hoạt động trong lĩnh vực sản xuất, hậu cần hay tự động hóa, chúng tôi cam kết hỗ trợ doanh nghiệp của bạn với công nghệ đáng tin cậy và dịch vụ vượt trội.