在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，光電傳感器作為重要的檢測工具，其性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到生產(chǎn)線的效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

然而，傳統(tǒng)的反射型光電傳感器在檢測過程中往往受到被測物顏色、材質(zhì)、弧度及形狀的影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生誤檢。

為了解決這一問題，明治的TOF（Time of Flight，飛行時(shí)間）光電傳感器，以其獨(dú)特的檢測原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測物顏色、材質(zhì)、弧度及形狀復(fù)雜條件檢測穩(wěn)定性的全面突破。

本期小明將從基礎(chǔ)原理出發(fā)，與大家深入探討TOF 光電傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件穩(wěn)定檢測背后的奧秘。

TOF 光電基礎(chǔ)原理

基于TOF時(shí)間飛行測量原理的本質(zhì)優(yōu)勢：

TOF 光電傳感器通過精確測量光脈沖從發(fā)射到經(jīng)物體反射后被接收的飛行時(shí)間來確定到物體的距離，而非像一些傳統(tǒng)傳感器依賴物體對(duì)光的反射率、吸收率等光學(xué)特性來檢測物體。這一測量原理從根本上決定了其對(duì)被測物的顏色、材質(zhì)等屬性的不敏感性，只要物體能夠反射足夠的光信號(hào)讓傳感器接收到，使其能夠測量出光的飛行時(shí)間，就可以計(jì)算出距離信息

光傳播速度的恒定性：

在測量過程中，光在空氣中的傳播速度是一個(gè)恒定值，這是 TOF 光電傳感器能夠準(zhǔn)確測量距離的重要基礎(chǔ)。無論被測物體的顏色、材質(zhì)、弧度和形狀如何變化，都不會(huì)影響光在空氣中的傳播速度，因此傳感器可以依據(jù)固定的光速和測量到的飛行時(shí)間來精確計(jì)算距離，而無需考慮物體自身特性對(duì)測量的干擾

1

復(fù)雜條件穩(wěn)定檢測

光傳播特性與傳感器接收的綜合性

光的散射和反射普遍性：

不同顏色的物體對(duì)光的吸收和反射比例雖有差異，但 TOF 光電傳感器發(fā)射的光脈沖在接觸到物體表面時(shí)，總會(huì)有一部分光被反射回來，只是反射光強(qiáng)有所不同。而傳感器本身具有一定的光強(qiáng)檢測范圍和靈敏度，能夠捕捉到這些反射光，進(jìn)而測量出飛行時(shí)間以確定距離。

例如，白色物體對(duì)光的反射率較高，反射光強(qiáng)相對(duì)較大；黑色物體對(duì)光的吸收較多，反射光強(qiáng)相對(duì)較小，但只要反射光強(qiáng)在傳感器的可檢測范圍內(nèi)，都不會(huì)影響距離測量結(jié)果

材質(zhì)對(duì)光傳播的有限影響：

不同材質(zhì)的物體，如金屬、塑料、木材等，對(duì)光的折射率、吸收率等光學(xué)特性不同，但這些差異主要影響光在物體內(nèi)部的傳播路徑和能量損耗，對(duì)于從物體表面反射回來的光，其在宏觀上依然能夠被 TOF 光電傳感器接收并用于測量飛行時(shí)間。

比如，金屬材質(zhì)對(duì)光的反射較強(qiáng)，而塑料材質(zhì)對(duì)光的吸收和散射相對(duì)較多，但無論哪種材質(zhì)，只要表面能夠?qū)⒐夥瓷浠貍鞲衅鳎筒粫?huì)對(duì)距離測量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響

弧度和多角度適應(yīng)性：

對(duì)于有弧度的物體，光照射到其表面后，反射光的方向會(huì)根據(jù)弧度而改變。但是 TOF 傳感器是基于飛行時(shí)間來測量距離的，只要反射光能夠被探測器接收到，無論反射光的角度如何變化，都可以根據(jù)光脈沖的往返時(shí)間計(jì)算出距離。

例如，當(dāng)測量一個(gè)球形物體時(shí)，光脈沖照射到球面上不同位置會(huì)產(chǎn)生不同角度的反射光。但只要這些反射光能夠被傳感器的探測器接收，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出傳感器到球面上該點(diǎn)的距離。這是因?yàn)?TOF 傳感器并不依賴于反射光的角度來確定距離，而是依賴于飛行時(shí)間。

形狀復(fù)雜程度的考慮：

對(duì)于形狀復(fù)雜的物體，如帶有凹槽或凸起的機(jī)械零件，光脈沖在其表面的反射情況會(huì)很復(fù)雜。但是 TOF 傳感器的探測器有一定的接收角度范圍，只要在這個(gè)范圍內(nèi)能夠接收到反射光，就可以計(jì)算距離。

以帶有多個(gè)凸起和凹槽的汽車零部件為例，光脈沖照射到不同的凸起和凹槽處會(huì)產(chǎn)生各種各樣的反射光方向。但 TOF 傳感器可以適應(yīng)這種復(fù)雜的反射情況，只要有反射光在探測器的接收范圍內(nèi)，就可以準(zhǔn)確測量傳感器到物體表面各點(diǎn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)復(fù)雜形狀物體的距離測量。

由于 TOF 光電傳感器發(fā)射的光是以一定角度范圍擴(kuò)散出去的，當(dāng)遇到不同弧度和形狀的物體時(shí)，無論物體表面是平面、曲面還是復(fù)雜的不規(guī)則形狀，總會(huì)有部分光線能夠垂直或近似垂直地入射到物體表面并反射回來被傳感器接收，從而實(shí)現(xiàn)距離測量。即使對(duì)于一些具有復(fù)雜形狀和弧度的物體，如球形物體或彎曲的金屬部件，光線也能夠從不同角度入射并反射，傳感器可以接收到足夠的反射光來計(jì)算距離

2

復(fù)雜條件穩(wěn)定檢測

先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)與算法的優(yōu)化

背景抑制與干擾消除：

TOF 光電傳感器通常配備了先進(jìn)的信號(hào)處理電路和算法，能夠有效地抑制背景光干擾和去除噪聲信號(hào)。在復(fù)雜的環(huán)境光條件下，即使物體的顏色與背景光相近，傳感器也能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出由自身發(fā)射并經(jīng)物體反射回來的光信號(hào)，從而保證測量的準(zhǔn)確性，不受顏色因素的影響。例如，在強(qiáng)光照射的戶外環(huán)境中，傳感器可以通過濾波、調(diào)制等技術(shù)手段，將背景光的干擾降低到最低程度，確保測量的可靠性

數(shù)據(jù)融合與補(bǔ)償：

對(duì)于因物體材質(zhì)、弧度、形狀等因素導(dǎo)致的光反射特性變化，傳感器可以通過對(duì)多次測量數(shù)據(jù)的融合和補(bǔ)償處理，進(jìn)一步提高測量精度。例如，對(duì)于表面不平整或具有弧度的物體，傳感器可以在不同位置和角度進(jìn)行多次測量，并通過算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，得到更準(zhǔn)確的距離信息，從而減小物體形狀和弧度對(duì)測量結(jié)果的影響。通過數(shù)據(jù)融合和補(bǔ)償技術(shù)，傳感器能夠在不同的測量條件下保持較高的精度和穩(wěn)定性，適應(yīng)各種復(fù)雜的被測物體

為什么TOF光電可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測？

甚至長達(dá)100米？

在工業(yè)自動(dòng)化、智能安防以及自動(dòng)駕駛等前沿領(lǐng)域，對(duì)目標(biāo)物體精準(zhǔn)、遠(yuǎn)距離探測的需求日益旺盛。TOF（Time-of-Flight）光電傳感器憑借獨(dú)特的測距原理嶄露頭角，是備受信賴的傳感技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被用于明治的激光雷達(dá)、測距光電中。

↑明治的TOF技術(shù)產(chǎn)品

TOF 光電傳感器遠(yuǎn)距離檢測技術(shù)征程布滿挑戰(zhàn)，從光源、探測器硬件打磨，到算法、信號(hào)處理軟件雕琢，每一環(huán)節(jié)精細(xì)鉆研鑄就當(dāng)下成果；在工業(yè)多元場景已展非凡價(jià)值。未來，隨跨領(lǐng)域技術(shù)融合與硬件持續(xù)革新，TOF 傳感器必將突破更多距離瓶頸，解鎖未知應(yīng)用可能，深度嵌入工業(yè) 4.0 與智能生活肌理，持續(xù)賦能全球科技產(chǎn)業(yè)革新。

接下來小明將與大家深入探討TOF 光電傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測背后的技術(shù)細(xì)節(jié)，從基礎(chǔ)原理出發(fā)，拆解關(guān)鍵技術(shù)要素，分析現(xiàn)存挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略，提供全面且深入的技術(shù)參考。

3

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測的關(guān)鍵

一、光源系統(tǒng)優(yōu)化

光源是 TOF 傳感器 “動(dòng)力心臟”，發(fā)光強(qiáng)度、光束質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)檢測距離。TOF傳感器采用高質(zhì)量的激光光源，能夠發(fā)射穩(wěn)定、高強(qiáng)度的激光脈沖。同時(shí)，傳感器配備高靈敏度的接收器，能夠準(zhǔn)確捕捉反射回來的光脈沖。通過優(yōu)化激光發(fā)射和接收系統(tǒng)的性能，可以顯著提高測量的精度和可靠性。

二、 精密時(shí)間測量技術(shù)

時(shí)間測量精度是 TOF 測距精度 “壓艙石”。傳統(tǒng)計(jì)數(shù)器難以滿足高精度需求，現(xiàn)多采用高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），基于門延遲鏈、鎖相環(huán)等架構(gòu)，能將計(jì)時(shí)分辨率推至皮秒級(jí)。在激光雷達(dá)用 TOF 傳感器，TDC 精確測量納秒級(jí)光往返時(shí)間，換算距離誤差縮至毫米級(jí)；部分前沿設(shè)計(jì)融合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），借助其并行處理、高速邏輯運(yùn)算優(yōu)勢，實(shí)時(shí)校準(zhǔn) TDC，消除時(shí)鐘抖動(dòng)、溫度漂移影響，穩(wěn)固長距測量精度 “基線”。

三、智能信號(hào)處理算法

原始反射光信號(hào)夾雜噪聲、多徑干擾，算法如 “濾網(wǎng)” 提純信號(hào)。TOF傳感器內(nèi)置先進(jìn)的信號(hào)處理算法，能夠精確計(jì)算光脈沖的飛行時(shí)間。算法通過對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行快速處理和分析，能夠?qū)崟r(shí)提供被測物體的距離數(shù)據(jù)。同時(shí)，算法還能夠有效濾除外部干擾信號(hào)，提高測量的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

動(dòng)態(tài)閾值算法依環(huán)境光強(qiáng)實(shí)時(shí)調(diào)信號(hào)接收閾值，強(qiáng)光環(huán)境提閾值篩除噪聲，弱光下降閾值防漏檢；多徑干擾消除算法借助深度學(xué)習(xí)模型，學(xué)習(xí)不同場景反射光時(shí)空特征，區(qū)分目標(biāo)直達(dá)光與環(huán)境雜散光、二次反射光，修正測距結(jié)果。

工業(yè)測距中，智能算法助力 TOF 傳感器在復(fù)雜廠房車間，精準(zhǔn)鎖定十幾米外運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，無視金屬表面反光、粉塵散射干擾。

綜上所述，TOF光電傳感器以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，正逐步成為工業(yè)自動(dòng)化和智能化領(lǐng)域不可或缺的重要工具。它不僅能夠克服被測物顏色、材質(zhì)、弧度、形狀等特性的影響，提供準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果，還具備高精度、長距離測量、快速響應(yīng)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為各種復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用場景提供了強(qiáng)有力的支持。