Novinky - Základný princíp a aplikácia systému TOF (čas letu)

Prihláste sa na odber našich sociálnych médií a získajte rýchle príspevky

Cieľom tejto série je poskytnúť čitateľom hĺbkové a progresívne pochopenie systému merania času letu (TOF). Obsah zahŕňa komplexný prehľad systémov TOF vrátane podrobných vysvetlení nepriameho TOF (iTOF) aj priameho TOF (dTOF). Tieto časti sa venujú parametrom systému, ich výhodám a nevýhodám a rôznym algoritmom. Článok tiež skúma rôzne komponenty systémov TOF, ako sú vertikálne dutinové povrchovo emitujúce lasery (VCSEL), prenosové a prijímacie šošovky, prijímacie senzory ako CIS, APD, SPAD, SiPM a budiace obvody ako ASIC.

Úvod do TOF (času letu)

Základné princípy

TOF, skratka pre Time of Flight (čas letu), je metóda používaná na meranie vzdialenosti výpočtom času, ktorý svetlo potrebuje na prekonanie určitej vzdialenosti v médiu. Tento princíp sa primárne uplatňuje v optických scenároch TOF a je relatívne jednoduchý. Proces zahŕňa svetelný zdroj, ktorý vyžaruje svetelný lúč, pričom sa zaznamenáva čas vyžarovania. Toto svetlo sa potom odrazí od cieľa, zachytí ho prijímač a zaznamená sa čas prijatia. Rozdiel týchto časov, označený ako t, určuje vzdialenosť (d = rýchlosť svetla (c) × t / 2).

Typy ToF senzorov

Existujú dva hlavné typy ToF senzorov: optické a elektromagnetické. Optické ToF senzory, ktoré sú bežnejšie, využívajú na meranie vzdialenosti svetelné impulzy, zvyčajne v infračervenom rozsahu. Tieto impulzy sú vysielané zo senzora, odrážajú sa od objektu a vracajú sa do senzora, kde sa meria čas ich prenosu a používa sa na výpočet vzdialenosti. Naproti tomu elektromagnetické ToF senzory používajú na meranie vzdialenosti elektromagnetické vlny, ako napríklad radar alebo lidar. Fungujú na podobnom princípe, ale na meranie používajú iné médium.meranie vzdialenosti.

Aplikácie ToF senzorov

ToF senzory sú všestranné a boli integrované do rôznych oblastí:

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

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

Automobilový priemysel:Je súčasťou asistenčných systémov vodiča pre adaptívny tempomat a predchádzanie kolíziám a stáva sa čoraz bežnejším v nových modeloch vozidiel.

Lekárska oblasťPoužíva sa v neinvazívnom zobrazovaní a diagnostike, ako je optická koherentná tomografia (OCT), ktorá vytvára snímky tkanív s vysokým rozlíšením.

Spotrebná elektronikaIntegrované do smartfónov, tabletov a notebookov pre funkcie ako rozpoznávanie tváre, biometrické overovanie a rozpoznávanie gest.

Drony:Používa sa na navigáciu, predchádzanie kolíziám a riešenie problémov súkromia a letectva

Architektúra systému TOF

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

· Vysielač (Tx):Patrí sem laserový zdroj svetla, najmäVCSEL, budiaci obvod ASIC na riadenie laseru a optické komponenty na riadenie lúča, ako sú kolimačné šošovky alebo difrakčné optické prvky a filtre.
· Prijímač (Rx):To pozostáva z objektívov a filtrov na prijímacej strane, senzorov ako CIS, SPAD alebo SiPM v závislosti od systému TOF a procesora obrazového signálu (ISP) na spracovanie veľkého množstva údajov z prijímacieho čipu.
·Správa napájania:Riadenie stabilnéhoRiadenie prúdu pre VCSEL a vysokého napätia pre SPAD je kľúčové a vyžaduje si robustné riadenie napájania.
· Softvérová vrstva:Zahŕňa to firmvér, SDK, operačný systém a aplikačnú vrstvu.

Architektúra demonštruje, ako laserový lúč, pochádzajúci z VCSEL a modifikovaný optickými komponentmi, putuje priestorom, odráža sa od objektu a vracia sa do prijímača. Výpočet časového oneskorenia v tomto procese odhaľuje informácie o vzdialenosti alebo hĺbke. Táto architektúra však nezahŕňa šumové dráhy, ako je šum indukovaný slnečným svetlom alebo viaccestný šum z odrazov, ktoré sú preberané neskôr v sérii.

Klasifikácia TOF systémov

Systémy TOF sa primárne kategorizujú podľa techník merania vzdialenosti: priamy TOF (dTOF) a nepriamy TOF (iTOF), pričom každý z nich má odlišný hardvér a algoritmické prístupy. Táto séria najprv načrtáva ich princípy a potom sa venuje porovnávacej analýze ich výhod, výziev a systémových parametrov.

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

Séria ďalej porovnáva dTOF a iTOF, podrobne diskutuje o ich rozdieloch, výhodách a problémoch a ďalej kategorizuje TOF systémy na základe komplexnosti informácií, ktoré poskytujú, od 1D TOF až po 3D TOF.

dTOF

Priamy TOF priamo meria čas letu fotónu. Jeho kľúčová súčasť, lavínová dióda pre jednotlivé fotóny (SPAD), je dostatočne citlivá na detekciu jednotlivých fotónov. dTOF využíva časovo korelované počítanie jednotlivých fotónov (TCSPC) na meranie času príchodu fotónov a vytvára histogram na odvodenie najpravdepodobnejšej vzdialenosti na základe najvyššej frekvencie konkrétneho časového rozdielu.

iTOF

Nepriamy TOF vypočítava čas letu na základe fázového rozdielu medzi vyžarovanými a prijatými priebehmi, bežne s použitím signálov spojitej vlny alebo pulznej modulácie. iTOF môže používať štandardné architektúry obrazových snímačov a merať intenzitu svetla v priebehu času.

iTOF sa ďalej delí na moduláciu spojitej vlny (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 obdĺžnikových vĺn.

Ďalšie čítanie:

Wikipédia. (nd). Čas letu. Zdroj:https://en.wikipedia.org/wiki/Čas_letu
Spoločnosť Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (čas letu) | Bežná technológia obrazových snímačov. Zdroj:https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. februára 2021). Úvod do Microsoft Time Of Flight (ToF) – platforma Azure Depth. Zdroj:https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2. marca 2023). Senzory času letu (TOF): Podrobný prehľad a aplikácie. Zdroj:https://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

Vyhlásenie o odmietnutí zodpovednosti:

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

Ak sa domnievate, že niektorý z použitých obsahov porušuje vaše autorské práva, kontaktujte nás. Sme viac než ochotní prijať vhodné opatrenia vrátane odstránenia obrázkov alebo uvedenia zdroja, aby sme zabezpečili súlad so zákonmi a predpismi 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.cnZaväzujeme sa, že po prijatí akéhokoľvek oznámenia okamžite podnikneme kroky a garantujeme 100 % spoluprácu pri riešení akýchkoľvek takýchto problémov.