Novinky - Základní princip a aplikace systému TOF (Time of Flight)

Přihlaste se k odběru našich sociálních médií pro rychlé zveřejnění

Tato série si klade za cíl poskytnout čtenářům hloubkové a progresivní pochopení systému měření doby letu (TOF). Obsah zahrnuje komplexní přehled systémů TOF, včetně podrobného vysvětlení nepřímého TOF (iTOF) i přímého TOF (dTOF). Tyto části se ponořují do parametrů systému, jejich výhod a nevýhod a různých algoritmů. Článek se také zabývá různými komponentami systémů TOF, jako jsou vertikálně dutinové lasery s povrchovým vyzařováním (VCSEL), vysílací a přijímací čočky, přijímací senzory jako CIS, APD, SPAD, SiPM a budicí obvody jako ASIC.

Úvod do TOF (doby letu)

Základní principy

TOF, zkratka pro Time of Flight (doba letu), je metoda používaná k měření vzdálenosti výpočtem doby, kterou světlo potřebuje k urazení určité vzdálenosti v médiu. Tento princip se primárně používá v optických scénářích TOF a je relativně přímočarý. Proces zahrnuje světelný zdroj emitující paprsek světla a zaznamenává se čas emise. Toto světlo se poté odrazí od cíle, je zachyceno přijímačem a zaznamená se čas příjmu. Rozdíl těchto časů, označený jako t, určuje vzdálenost (d = rychlost světla (c) × t / 2).

Typy ToF senzorů

Existují dva hlavní typy ToF senzorů: optické a elektromagnetické. Optické ToF senzory, které jsou běžnější, využívají pro měření vzdálenosti světelné impulsy, obvykle v infračerveném rozsahu. Tyto impulsy jsou vysílány ze senzoru, odrážejí se od objektu a vracejí se do senzoru, kde se měří doba jejich dopadu a používá se k výpočtu vzdálenosti. Naproti tomu elektromagnetické ToF senzory používají k měření vzdálenosti elektromagnetické vlny, jako je radar nebo lidar. Fungují na podobném principu, ale pro měření používají jiné médium.měření vzdálenosti.

Aplikace ToF senzorů

ToF senzory jsou všestranné a byly integrovány do různých oblastí:

Robotika:Používá se k detekci překážek a navigaci. Například roboti jako Roomba a Atlas od společnosti Boston Dynamics používají hloubkové kamery ToF pro mapování svého okolí a plánování pohybů.

Bezpečnostní systémy:Běžné u pohybových senzorů pro detekci vetřelců, spouštění alarmů nebo aktivaci kamerových systémů.

Automobilový průmysl:Je součástí asistenčních systémů pro adaptivní tempomat a předcházení kolizím a stále častěji se používá v nových modelech vozidel.

Lékařský oborPoužívá se v neinvazivním zobrazování a diagnostice, jako je optická koherentní tomografie (OCT), která produkuje snímky tkání s vysokým rozlišením.

Spotřební elektronikaIntegrováno do chytrých telefonů, tabletů a notebooků pro funkce, jako je rozpoznávání obličeje, biometrické ověřování a rozpoznávání gest.

Drony:Používá se pro navigaci, předcházení srážkám a řešení problémů s ochranou soukromí a letectvím.

Architektura systému TOF

Typický systém TOF se skládá z několika klíčových komponent pro dosažení měření vzdálenosti, jak je popsáno:

· Vysílač (Tx):To zahrnuje laserový zdroj světla, hlavněVCSEL, budicí obvod ASIC pro řízení laseru a optické součástky pro řízení paprsku, jako jsou kolimační čočky nebo difrakční optické prvky, a filtry.
· Přijímač (Rx):To se skládá z čoček a filtrů na přijímací straně, senzorů jako CIS, SPAD nebo SiPM v závislosti na systému TOF a procesoru obrazového signálu (ISP) pro zpracování velkého množství dat z přijímacího čipu.
·Správa napájení:Správa stabilníŘízení proudu pro VCSEL a vysokého napětí pro SPAD je klíčové a vyžaduje robustní řízení napájení.
· Softwarová vrstva:To zahrnuje firmware, SDK, operační systém a aplikační vrstvu.

Architektura demonstruje, jak laserový paprsek, pocházející z VCSEL a modifikovaný optickými komponentami, putuje prostorem, odráží se od objektu a vrací se do přijímače. Výpočet časového snímání v tomto procesu odhaluje informace o vzdálenosti nebo hloubce. Tato architektura však nezahrnuje šumové cesty, jako je šum indukovaný slunečním světlem nebo vícecestný šum z odrazů, které jsou popsány dále v sérii.

Klasifikace systémů TOF

Systémy TOF se primárně kategorizují podle technik měření vzdálenosti: přímý TOF (dTOF) a nepřímý TOF (iTOF), každý s odlišným hardwarem a algoritmickými přístupy. Tato série nejprve nastíní jejich principy a poté se ponoří do srovnávací analýzy jejich výhod, problémů a systémových parametrů.

Navzdory zdánlivě jednoduchému principu TOF – vyzařování světelného impulsu a detekce jeho návratu pro výpočet vzdálenosti – spočívá složitost v odlišení odraženého světla od okolního světla. To se řeší vyzařováním dostatečně jasného světla pro dosažení vysokého poměru signálu k šumu a výběrem vhodných vlnových délek pro minimalizaci rušení okolním světlem. Dalším přístupem je kódování vyzařovaného světla tak, aby bylo po návratu rozlišitelné, podobně jako signály SOS s baterkou.

Seriál dále porovnává dTOF a iTOF, podrobně diskutuje jejich rozdíly, výhody a výzvy a dále kategorizuje TOF systémy na základě složitosti informací, které poskytují, od 1D TOF až po 3D TOF.

dTOF

Přímý časový interval (DTOF) přímo měří dobu letu fotonu. Jeho klíčová součást, lavinová dioda pro jednotlivé fotony (SPAD), je dostatečně citlivá k detekci jednotlivých fotonů. dTOF využívá časově korelované počítání jednotlivých fotonů (TCSPC) k měření času příletu fotonů a na základě nejvyšší frekvence daného časového rozdílu vytváří histogram pro odvození nejpravděpodobnější vzdálenosti.

iTOF

Nepřímý TOF vypočítává dobu letu na základě fázového rozdílu mezi vyzařovanými a přijímanými průběhy, obvykle s využitím signálů spojité vlny nebo pulzní modulace. iTOF může využívat standardní architektury obrazových senzorů a měřit intenzitu světla v čase.

iTOF se dále dělí na modulaci spojité vlny (CW-iTOF) a pulzní modulaci (Pulsed-iTOF). CW-iTOF měří fázový posun mezi vyzařovanými a přijímanými sinusovými vlnami, zatímco Pulsed-iTOF vypočítává fázový posun pomocí signálů obdélníkových vln.

Další čtení:

Wikipedie. (nd). Doba letu. Získáno zhttps://cs.wikipedia.org/wiki/Doba_letu
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (doba letu) | Společná technologie obrazových senzorů. Získáno zhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. února 2021). Úvod do Microsoft Time Of Flight (ToF) – platforma Azure Depth. Získáno zhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2. března 2023). Senzory doby letu (TOF): Podrobný přehled a aplikace. Získáno zhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

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

od autora: Chao Guang

Prohlášení o vyloučení odpovědnosti:

Tímto prohlašujeme, že některé obrázky zobrazené na našich webových stránkách byly shromážděny z internetu a Wikipedie s cílem podpořit vzdělávání a sdílení informací. Respektujeme práva duševního vlastnictví všech tvůrců. Použití těchto obrázků není určeno ke komerčnímu zisku.

Pokud se domníváte, že některý z použitého obsahu porušuje vaše autorská práva, kontaktujte nás. Jsme více než ochotni přijmout vhodná opatření, včetně odstranění obrázků nebo uvedení zdroje, abychom zajistili dodržování zákonů a předpisů o duševním vlastnictví. Naším cílem je udržovat platformu, která je bohatá na obsah, spravedlivá a respektuje práva duševního vlastnictví ostatních.

Kontaktujte nás prosím na následující e-mailové adrese:sales@lumispot.cnZavazujeme se k okamžitému přijetí jakéhokoli oznámení a garantujeme 100% spolupráci při řešení jakýchkoli takových problémů.