Novinky - Základný princíp a aplikácia systému TOF (Time of Flight).

Prihláste sa na odber našich sociálnych médií a získajte rýchly príspevok

Cieľom tejto série je poskytnúť čitateľom hĺbkové a progresívne pochopenie systému času letu (TOF). Obsah zahŕňa komplexný prehľad systémov TOF vrátane podrobného vysvetlenia nepriameho TOF (iTOF) aj priameho TOF (dTOF). Tieto časti sa zaoberajú parametrami systému, ich výhodami a nevýhodami a rôznymi algoritmami. Článok tiež skúma rôzne komponenty systémov TOF, ako sú lasery vyžarujúce povrch s vertikálnou dutinou (VCSEL), vysielacie a prijímacie šošovky, prijímacie senzory ako CIS, APD, SPAD, SiPM a obvody vodičov, ako sú ASIC.

Úvod do TOF (čas letu)

Základné princípy

TOF, čo znamená čas letu, je metóda používaná na meranie vzdialenosti výpočtom času, ktorý svetlo potrebuje na to, aby prekonalo určitú vzdialenosť v médiu. Tento princíp je primárne aplikovaný v optických TOF scenároch a je relatívne jednoduchý. Proces zahŕňa svetelný zdroj vyžarujúci lúč svetla so zaznamenaným časom emisie. Toto svetlo sa potom odrazí od cieľa, zachytí ho prijímač a zaznamená sa čas príjmu. Rozdiel v týchto časoch, označený ako t, určuje vzdialenosť (d = rýchlosť svetla (c) × t / 2).

Typy ToF snímačov

Existujú dva primárne typy ToF senzorov: optické a elektromagnetické. Optické snímače ToF, ktoré sú bežnejšie, využívajú na meranie vzdialenosti svetelné impulzy, zvyčajne v infračervenom rozsahu. Tieto impulzy sú vysielané zo snímača, odrážajú sa od objektu a vracajú sa do snímača, kde sa meria čas cesty a používa sa na výpočet vzdialenosti. Na rozdiel od toho elektromagnetické ToF senzory používajú na meranie vzdialenosti elektromagnetické vlny, ako je radar alebo lidar. Fungujú na podobnom princípe, ale používajú na to iné médiummeranie vzdialenosti.

Aplikácie ToF senzorov

Senzory ToF sú všestranné a boli integrované do rôznych oblastí:

Robotika:Používa sa na detekciu prekážok a navigáciu. Napríklad roboty ako Roomba a Boston Dynamics Atlas využívajú hĺbkové kamery ToF na mapovanie svojho okolia a plánovanie pohybov.

Bezpečnostné systémy:Bežné v pohybových senzoroch na detekciu votrelcov, spúšťanie alarmov alebo aktiváciu kamerových systémov.

automobilový priemysel:Začlenené do asistenčných systémov vodiča pre adaptívny tempomat a predchádzanie kolíziám, ktoré sa čoraz viac presadzujú v nových modeloch vozidiel.

Lekárska oblasť: Používa sa v neinvazívnom zobrazovaní a diagnostike, ako je optická koherentná tomografia (OCT), ktorá vytvára snímky tkaniva s vysokým rozlíšením.

Spotrebná elektronika: Integrované do smartfónov, tabletov a notebookov pre funkcie, ako je rozpoznávanie tváre, biometrické overenie a rozpoznávanie gest.

Drony:Používa sa na navigáciu, predchádzanie kolíziám a pri riešení problémov týkajúcich sa súkromia a letectva

Architektúra systému TOF

Typický systém TOF pozostáva z niekoľkých kľúčových komponentov na dosiahnutie merania vzdialenosti, ako je opísané:

· Vysielač (Tx):To zahŕňa zdroj laserového svetla, hlavne aVCSEL, budiaci obvod ASIC na riadenie lasera a optické komponenty na riadenie lúča, ako sú kolimačné šošovky alebo difrakčné optické prvky a filtre.
· Prijímač (Rx):Pozostáva zo šošoviek a filtrov na prijímacom konci, senzorov ako CIS, SPAD alebo SiPM v závislosti od systému TOF a obrazového signálového procesora (ISP) na spracovanie veľkého množstva údajov z čipu prijímača.
·Správa napájania:Riadenie stajneriadenie prúdu pre VCSEL a vysoké napätie pre SPAD je rozhodujúce a vyžaduje si robustnú správu napájania.
· Softvérová vrstva:To zahŕňa firmvér, SDK, OS a aplikačnú vrstvu.

Architektúra demonštruje, ako laserový lúč, pochádzajúci z VCSEL a modifikovaný optickými komponentmi, prechádza priestorom, odráža sa od objektu a vracia sa do prijímača. Časozberný výpočet v tomto procese odhaľuje informácie o vzdialenosti alebo hĺbke. Táto architektúra však nepokrýva cesty hluku, ako je hluk spôsobený slnečným žiarením alebo viaccestný šum z odrazov, o ktorých sa bude hovoriť neskôr v sérii.

Klasifikácia systémov TOF

Systémy TOF sa primárne kategorizujú podľa techník merania vzdialenosti: priamy TOF (dTOF) a nepriamy TOF (iTOF), pričom každý má odlišný hardvér a algoritmický prístup. Séria najprv načrtáva ich princípy a potom sa ponorí do porovnávacej analýzy ich výhod, výziev a systémových parametrov.

Napriek zdanlivo jednoduchému princípu TOF – vyžarovanie svetelného impulzu a detekcia jeho návratu na výpočet vzdialenosti – zložitosť spočíva v odlíšení vracajúceho sa svetla od okolitého svetla. Toto je riešené vyžarovaním dostatočne jasného svetla na dosiahnutie vysokého pomeru signálu k šumu a výberom vhodných vlnových dĺžok, aby sa minimalizovalo rušenie okolitého svetla. Ďalším prístupom je zakódovanie vyžarovaného svetla, aby bolo po návrate rozlíšiteľné, podobne ako signály SOS s baterkou.

Séria pokračuje v porovnaní dTOF a iTOF, podrobne rozoberá ich rozdiely, výhody a výzvy a ďalej kategorizuje systémy TOF na základe komplexnosti informácií, ktoré poskytujú, od 1D TOF po 3D TOF.

dTOF

Priamy TOF priamo meria čas letu fotónu. Jeho kľúčový komponent, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), je dostatočne citlivý na detekciu jednotlivých fotónov. dTOF využíva časovo korelované počítanie fotónov (TCSPC) na meranie času príletov fotónov, pričom vytvára histogram na odvodenie najpravdepodobnejšej vzdialenosti na základe najvyššej frekvencie konkrétneho časového rozdielu.

iTOF

Nepriamy TOF vypočítava čas letu na základe fázového rozdielu medzi vysielanými a prijímanými priebehmi, bežne pomocou signálov kontinuálnej vlny alebo pulznej modulácie. iTOF môže využívať štandardné architektúry obrazových snímačov, ktoré merajú intenzitu svetla v priebehu času.

iTOF sa ďalej delí na kontinuálnu vlnovú moduláciu (CW-iTOF) a pulznú moduláciu (Pulsed-iTOF). CW-iTOF meria fázový posun medzi vysielanými a prijímanými sínusovými vlnami, zatiaľ čo Pulsed-iTOF vypočítava fázový posun pomocou signálov štvorcových vĺn.

Ďalšie čítanie:

Wikipedia. (nd). Čas letu. Získané zhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (čas letu) | Spoločná technológia obrazových snímačov. Získané zhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. február). Úvod do Microsoft Time Of Flight (ToF) – platforma Azure Depth. Získané zhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2. marec). Senzory času letu (TOF): Podrobný prehľad a aplikácie. Získané zhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Z webovej stránkyhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

od autora: Chao Guang

Vylúčenie zodpovednosti:

Týmto vyhlasujeme, že niektoré obrázky zobrazené na našej webovej stránke sú zhromaždené z internetu a Wikipédie s cieľom podporiť vzdelávanie a zdieľanie informácií. Rešpektujeme práva duševného vlastníctva všetkých tvorcov. Použitie týchto obrázkov nie je určené na komerčný zisk.

Ak sa domnievate, že akýkoľvek použitý obsah porušuje vaše autorské práva, kontaktujte nás. Sme viac než ochotní prijať vhodné opatrenia vrátane odstránenia obrázkov alebo poskytnutia riadneho uvedenia zdroja, aby sme zabezpečili súlad so zákonmi a nariadeniami o duševnom vlastníctve. Naším cieľom je udržiavať platformu, ktorá je bohatá na obsah, je spravodlivá a rešpektuje práva duševného vlastníctva iných.

Kontaktujte nás prosím na nasledujúcej e-mailovej adrese:sales@lumispot.cn. Zaväzujeme sa podniknúť okamžité kroky po prijatí akéhokoľvek oznámenia a garantujeme 100% spoluprácu pri riešení takýchto problémov.