Zprávy - Základní princip a aplikace systému TOF (čas letu)

Přihlaste se k odběru našich sociálních médií pro rychlý příspěvek

Cílem této série je poskytnout čtenářům hloubkové a progresivní porozumění systému doby letu (TOF). Obsah zahrnuje komplexní přehled systémů TOF, včetně podrobných vysvětlení nepřímého TOF (ITOF) a přímého TOF (DTOF). Tyto oddíly se ponoří do parametrů systému, jejich výhody a nevýhody a různé algoritmy. Článek také zkoumá různé komponenty systémů TOF, jako jsou lasery emitující vertikální dutinu (VCSELS), přenosové a recepční čočky, přijímání senzorů jako CIS, APD, SPAD, SIPM a obvody řidiče, jako je ASIC.

Úvod do TOF (čas letu)

Základní principy

TOF, stojící v době letu, je metoda používaná k měření vzdálenosti výpočtem času potřebného k tomu, aby se světlo cestovalo do určité vzdálenosti v médiu. Tento princip je primárně aplikován v optických scénářích TOF a je relativně jednoduchý. Proces zahrnuje zdroj světla vyzařujícího paprsek světla, přičemž doba zaznamenaná emise. Toto světlo pak odráží cíl, je zachyceno přijímačem a je zaznamenána doba příjmu. Rozdíl v těchto časech, označený jako T, určuje vzdálenost (d = rychlost světla (c) × t / 2).

Typy senzorů TOF

Existují dva primární typy senzorů TOF: optické a elektromagnetické. Optické senzory TOF, které jsou běžnější, využívají světelné pulzy, obvykle v infračerveném rozmezí, pro měření vzdálenosti. Tyto impulsy jsou emitovány ze senzoru, odrážejí předmět a vrací se ke senzoru, kde se měří doba cestování a používána pro výpočet vzdálenosti. Naproti tomu elektromagnetické senzory TOF používají k měření vzdálenosti elektromagnetické vlny, jako je radar nebo lidar. Pracují na podobném principu, ale používají jiné médium proměření vzdálenosti.

Aplikace senzorů TOF

Senzory TOF jsou všestranné a byly integrovány do různých oblastí:

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

Bezpečnostní systémy:Společné senzory v pohybu pro detekci vetřelců, spouštění alarmů nebo aktivace kamerových systémů.

Automobilový průmysl:Začleněno do systémů assistů řidičů pro adaptivní kontrolu a vyhýbání se kolizi a stále více převládá v modelech nových vozidel.

Lékařské pole: Používáno v neinvazivní zobrazování a diagnostice, jako je optická koherenční tomografie (OCT), produkující tkáňové obrazy s vysokým rozlišením.

Spotřební elektronika: Integrováno do chytrých telefonů, tablet a notebooků pro funkce, jako je rozpoznávání obličeje, biometrická autentizace a rozpoznávání gest.

Drony:Využíváno pro navigaci, vyhýbání se kolizi a při řešení obav o soukromí a letectví

Systémová architektura TOF

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

· Vysílač (TX):To zahrnuje zdroj laserového světla, hlavně aVCSEL, obvod řidiče ASIC pro řízení laseru a optické komponenty pro ovládání paprsku, jako jsou kolimační čočky nebo difrakční optické prvky a filtry.
· Přijímač (rx):Skládá se z čoček a filtrů na přijímacím konci, senzorů jako CIS, SPAD nebo SIPM v závislosti na systému TOF a procesoru obrazového signálu (ISP) pro zpracování velkého množství dat z čipu přijímače.
·Správa energie:Správa stabilníProudná kontrola proudu pro VCSELS a vysoké napětí pro SPAD je zásadní, což vyžaduje robustní řízení energie.
· Softwarová vrstva:To zahrnuje firmware, SDK, OS a aplikační vrstvu.

Architektura ukazuje, jak laserový paprsek pocházející z VCSEL a modifikovaný optickými komponenty, cestuje vesmírem, odráží objekt a vrací se do přijímače. Výpočet časového prodlevy v tomto procesu odhaluje informace o vzdálenosti nebo hloubce. Tato architektura však nepokrývá šumové cesty, jako je hluk vyvolaný slunečním zářením nebo hluk z více cest z odrazů, které jsou diskutovány později v sérii.

Klasifikace systémů TOF

Systémy TOF jsou primárně kategorizovány podle jejich technik měření vzdálenosti: přímý TOF (DTOF) a nepřímý TOF (ITOF), každý s odlišným hardwarem a algoritmickými přístupy. Série zpočátku nastiňuje jejich principy, než se ponoří do srovnávací analýzy jejich výhod, výzev a parametrů systému.

Navzdory zdánlivě jednoduchému principu TOF - vyzařování světelného pulsu a detekce jeho návratu pro výpočet vzdálenosti - složitost spočívá v rozlišování návratového světla od okolního světla. To je řešeno emitováním dostatečně jasného světla, aby bylo dosaženo vysokého poměru signál-šum a výběrem vhodných vlnových délek, aby se minimalizovaly rušení světla environmentálního světla. Dalším přístupem je kódování emitovaného světla, aby bylo po návratu rozlišitelné, podobné signálům SOS s baterkou.

Série pokračuje ve srovnání DTOF a ITOF, diskuse o jejich rozdílech, výhodách a výzvách podrobně a dále kategorizuje systémy TOF založené na složitosti informací, které poskytují, od 1D TOF do 3D TOF.

Dtof

Direct TOF přímo měří dobu letu fotonu. Jeho klíčová složka, jediná fotonová lavinová dioda (SPAD), je dostatečně citlivá na detekci jednotlivých fotonů. DTOF využívá čas korelované jediné počítání fotonů (TCSPC) k měření doby příleží na fotony, čímž se vytvoří histogram, aby odvodil nejpravděpodobnější vzdálenost na základě nejvyšší frekvence konkrétního časového rozdílu.

ITOF

Nepřímý TOF vypočítá dobu letu na základě fázového rozdílu mezi emitovanými a přijímanými průběhy, obvykle používajícími signály kontinuální vlny nebo pulzní modulace. ITOF může používat standardní architektury obrazových senzorů a měřit intenzitu světla v průběhu času.

ITOF je dále rozdělen na modulaci kontinuální vlny (CW-ITOF) a pulzní modulaci (pulzní-itof). CW-ITOF měří fázový posun mezi emitovanými a přijatými sinusoidními vlnami, zatímco pulzní-itof počítá fázový posun pomocí signálů čtvercové vlny.

Futher Reading:

Wikipedia. (nd). Čas letu. Citováno zhttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
Skupina Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). TOF (Čas letu) | Společná technologie obrazových senzorů. Citováno zhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. února). Úvod do Microsoft Time of Flight (TOF) - Platforma pro hloubku Azure. Citováno zhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platfor/intro-to-microsoft-of--of-tof
Escatec. (2023, 2. března). Senzory času (TOF): Hloubkový přehled a aplikace. Citováno zhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Z webové stránkyhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/

Autor: Chao Guang

Zřeknutí se odpovědnosti:

Tímto prohlašujeme, že některé z obrázků zobrazených na našem webu jsou shromažďovány z internetu a Wikipedie s cílem podpořit vzdělávání a sdílení informací. Respektujeme práva duševního vlastnictví všech tvůrců. Použití těchto obrázků není určeno pro komerční zisk.

Pokud se domníváte, že některý z použitých obsahu porušuje vaše autorská práva, kontaktujte nás. Jsme více než ochotni přijmout příslušná opatření, včetně odstranění obrázků nebo poskytování řádného přiřazení, abychom zajistili dodržování zákonů a předpisů duševního vlastnictví. Naším cílem je udržovat platformu, která je bohatá na obsah, spravedlivé a respektuje práva duševního vlastnictví ostatních.

Kontaktujte nás na následující e -mailové adrese:sales@lumispot.cn. Zavazujeme se k okamžitému opatření po obdržení jakéhokoli oznámení a zaručení 100% spolupráce při řešení jakýchkoli takových problémů.