μέθοδος εστίασης TOF

Με αφορμή τις έντονες φήμες που κυκλοφορούν στο διαδίκτυο, πως η Panasonic αναπτύσει έναν νέο αισθητήρα TOF Micro Four Thirds που θα οδηγήσει στη δημιουργία ενός τέλειου συστήματος αυτόματης εστίασης, ας εξετάσουμε την φυσιολογία και την μέθοδο λειτουργίας αυτής της τεχνολογίας TOF (αρχικά του time of flight/χρόνος πτήσης).

Κατ’αρχάς δεν πρόκειται για κάποιον αισθητήρα με δυνατότητες τηλεμετρίας. Ο ‘χρόνος πτήσης’ είναι ένα ενεργό σύστημα υπολογισμού εύρους απόστασης∙ είναι ένα είδος LIDAR, μια απλουστευμένη μορφή ραντάρ. Το σύστημα LIDAR μπορεί να υπολογίσει την απόσταση με διάφορους τρόπους, αλλά ο πιο διαδεδομένος είναι ο TOF. Κατά τη λειτουργία του εκπέμπεται ένας παλμός φωτός, συνήθως από ένα λέιζερ, και μετράται ο χρόνος που απαιτείται για να ανακλασθεί αυτός ο παλμός από ένα αντικείμενο και να επιστρέψει σε έναν αισθητήρα, ο οποίος είναι τοποθετημένος κοντά μεν αλλά εκτός του πομπού.

Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι το φως ταξιδεύει με 300.000 χλμ/δευτ. Αν μετρήσουμε την απόσταση ενός αντικειμένου στα 100 μέτρα, το φως θα ταξιδέψει και θα επιστρέψει στα δύο τρίτα του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, άρα το σύστημα μας πρέπει να είναι σε θέση να μετρήσει περιόδους αυτής της διάρκειας. Χάρη στην ταχύτητα των σύγχρονων ηλεκτρονικών, αυτό δεν είναι πολύ δύσκολο. Πιο προβληματική είναι η εξασφάλιση της απαιτούμενης ακρίβειας. Η εστίαση μιας κάμερας απαιτεί μεγαλύτερη ακρίβεια σε κοντινές αποστάσεις. Ένα σφάλμα 10 εκατοστά στα προαναφερθέντα 100 μέτρα δεν θα επηρεάσει την ακρίβεια της εστίασης πολύ. Από την άλλη πλευρά, το ίδιο σφάλμα 10 εκατοστών σε απόσταση 1 μέτρου θα παράγει μια ουσιαστικά εκτός εστίασης εικόνα.

Τα παραδοσιακά συστήματα εστίασης, όπως η ανίχνευση φάσης (ή η τηλεμετρία σπαστού ειδώλου, που βασίζεται στην ίδια αρχή) και η ανίχνευση αντίθεσης έχουν το θετικό χαρακτηριστικό ότι η ποσοστιαία ακρίβεια αυξάνεται σε κοντινή απόσταση. Δυστυχώς, το TOF έχει το αντίθετο χαρακτηριστικό. Η ακρίβειά του προσδιορίζεται από το μικρότερο χρονικό διάστημα που μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια, χωρίς τρεμόπαιγμα ή θόρυβο που επηρεάζουν την ανάγνωση. Αν λάβουμε υπόψη ότι 10 εκατοστά αντιπροσωπεύουν διαφορά χρόνου 660 τρισεκατομμυρίων του δευτερολέπτου, μπορεί να εκτιμηθεί η απαιτούμενη ακρίβεια χρονισμού. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί συστήματα LIDAR με ακρίβεια εκατοστού. Ο αισθητήρας εικόνας TOF ενσωματώνει αρκετούς αισθητήρες TOF σε μια συστοιχία εικονοστοιχείων (pixel). Αυτά τα «εικονοστοιχεία» έχουν ριζικά διαφορετικό σχεδιασμό από τα κανονικά εικονοστοιχεία εικόνας και είναι σχεδιασμένα ακριβώς, για να φιλτράρουν το φως περιβάλλοντος από το οποίο εξαρτάται η φωτογραφία. Έτσι είναι απίθανο οι δύο λειτουργίες να ενσωματωθούν σε έναν μόνο αισθητήρα.

Αρχή της λειτουργίας μιας κάμερας χρόνου πτήσης:
Στην παλμική μέθοδο (1), η απόσταση d = ct / 2 q2 / q1 + q2,
όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός, t είναι το μήκος του παλμού,
q1 είναι το συσσωρευμένο φορτίο στο εικονοστοιχείο όταν εκπέμπεται φως
και q2 είναι η συσσωρευμένη φόρτιση όταν είναι σε αδράνεια.
Στη μέθοδο συνεχόμενων κυμάτων (2), d = c t / 2π arctan q3 – q4 / q1 – q2.

Αντίθετα, οποιοδήποτε σύστημα τηλεμετρίας TOF θα ήταν ένα ξεχωριστό συγκρότημα και όχι ένα σύστημα μέσω του φακού. Θα ήταν επίσης ένα «τηλεμετρικό» σε αντίθεση με ένα σύστημα «αυτόματης εστίασης». Η διαφορά έγκειται, στο ότι ένα τηλέμετρο μετρά την απόσταση που βρίσκεται το θέμα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ρύθμιση της εστίασης χρησιμοποιώντας την κλίμακα εστίασης, ενώ τα συστήματα αυτόματης εστίασης στην πραγματικότητα ανιχνεύουν τις συνθήκες εστίασης.

© periopton.com

επιμέλεια-κείμενο: Κάππα Λάμδα

πίνακες: Wikipedia