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

Přihlaste se k odběru našich sociálních sítí a získejte rychlý příspěvek

Tato série si klade za cíl poskytnout čtenářům hloubkové a progresivní porozumění systému doby letu (TOF). Obsah pokrývá komplexní přehled systémů TOF, včetně podrobného vysvětlení nepřímého TOF (iTOF) i přímého TOF (dTOF). Tyto části se ponoří do parametrů systému, jejich výhod a nevýhod a různých algoritmů. Článek také zkoumá různé součásti systémů TOF, jako jsou lasery vyzařující povrch s vertikální dutinou (VCSEL), vysílací a přijímací čočky, přijímací senzory jako CIS, APD, SPAD, SiPM a obvody ovladačů, jako jsou ASIC.

Úvod do TOF (čas letu)

Základní principy

TOF, což je zkratka pro Time of Flight, je metoda používaná k měření vzdálenosti výpočtem času, který světlo potřebuje, aby urazilo určitou vzdálenost v médiu. Tento princip je primárně aplikován v optických TOF scénářích a je relativně přímočarý. Proces zahrnuje světelný zdroj vyzařující paprsek světla se zaznamenaným časem emise. Toto světlo se pak odráží od cíle, je zachyceno přijímačem a je zaznamenán čas příjmu. Rozdíl těchto časů, označovaný jako t, určuje vzdálenost (d = rychlost světla (c) × t / 2).

Typy ToF senzorů

Existují dva základní typy ToF senzorů: optické a elektromagnetické. Optické senzory ToF, které jsou běžnější, využívají k měření vzdálenosti světelné impulsy, obvykle v infračerveném rozsahu. Tyto impulsy jsou vysílány ze senzoru, odrážejí se od předmětu a vracejí se zpět do senzoru, kde se měří doba cesty 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 používají k tomu jiné médiumměření vzdálenosti.

Aplikace ToF senzorů

Senzory ToF jsou všestranné a byly integrovány do různých oblastí:

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

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

Automobilový průmysl:Začleněno do asistenčních systémů řidiče pro adaptivní tempomat a předcházení kolizím, které se stává stále více rozšířeným v nových modelech vozidel.

Lékařský obor: Používá se v neinvazivním zobrazování a diagnostice, jako je optická koherentní tomografie (OCT), produkující snímky tkáně s vysokým rozlišením.

Spotřební elektronika: Integrováno do chytrých telefonů, tabletů a notebooků pro funkce jako rozpoznávání obličeje, biometrické ověřování a rozpoznávání gest.

drony:Používá se pro navigaci, předcházení kolizím a při řešení otázek ochrany soukromí a letectví

Architektura systému TOF

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

· Vysílač (Tx):To zahrnuje zdroj laserového světla, zejména aVCSEL, budící obvod ASIC pro řízení laseru a optické komponenty pro řízení 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 obrazového signálového procesoru (ISP) pro zpracování velkého množství dat z čipu přijímače.
·Správa napájení:Řízení stájeřízení proudu pro VCSEL a vysokonapěťové pro SPADy je zásadní a vyžaduje robustní správu napájení.
· Softwarová vrstva:To zahrnuje firmware, SDK, OS a aplikační vrstvu.

Architektura demonstruje, jak laserový paprsek, pocházející z VCSEL a modifikovaný optickými součástmi, cestuje vesmírem, odráží se od objektu a vrací se do přijímače. Časosběrný výpočet v tomto procesu odhaluje informace o vzdálenosti nebo hloubce. Tato architektura však nepokrývá cesty šumu, jako je hluk vyvolaný slunečním zářením nebo vícecestný šum z odrazů, o kterých se pojednává dále v sérii.

Klasifikace systémů TOF

Systémy TOF jsou primárně kategorizovány podle svých technik měření vzdálenosti: přímý TOF (dTOF) a nepřímý TOF (iTOF), každý s odlišnými hardwarovými a algoritmickými přístupy. Série nejprve nastiňuje jejich principy, než se ponoří do srovnávací analýzy jejich výhod, výzev a systémových parametrů.

Navzdory zdánlivě jednoduchému principu TOF – emitování světelného pulsu a detekce jeho návratu pro výpočet vzdálenosti – složitost spočívá v odlišení vracejícího se světla od okolního světla. To je řešeno vyzařováním dostatečně jasného světla pro dosažení vysokého poměru signálu k šumu a výběrem vhodných vlnových délek pro minimalizaci interference okolního světla. Dalším přístupem je zakódování emitovaného světla, aby bylo po návratu rozlišitelné, podobně jako signály SOS s baterkou.

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

dTOF

Přímý TOF přímo měří dobu letu fotonu. Jeho klíčová součást, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), je dostatečně citlivá, aby detekovala jednotlivé fotony. dTOF využívá Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) k měření času příletu fotonů, sestrojuje histogram pro odvození nejpravděpodobnější vzdálenosti na základě nejvyšší frekvence konkrétního časového rozdílu.

iTOF

Nepřímá TOF vypočítává dobu letu na základě fázového rozdílu mezi vysílanými a přijímanými křivkami, běžně pomocí signálů spojité vlny nebo pulzní modulace. iTOF může používat standardní architektury obrazových snímačů, které měří intenzitu světla v průběhu času.

iTOF se dále dělí na kontinuální vlnovou modulaci (CW-iTOF) a pulzní modulaci (Pulsed-iTOF). CW-iTOF měří fázový posun mezi vysílanými a přijímanými sinusovými vlnami, zatímco Pulsed-iTOF vypočítává fázový posun pomocí obdélníkových signálů.

Další čtení:

Wikipedie. (nd). Doba letu. Načteno zhttps://cs.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (čas letu) | Společná technologie obrazových snímačů. Načteno zhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. února). Úvod do Microsoft Time Of Flight (ToF) – Azure Depth Platform. Načteno zhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2. března). Senzory doby letu (TOF): Podrobný přehled a aplikace. Načteno 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

Vyloučení odpovědnosti:

Tímto prohlašujeme, že některé obrázky zobrazené na našich webových stránkách jsou shromážděny z internetu a Wikipedie s cílem propagovat vzdělávání a sdílení informací. Respektujeme práva duševního vlastnictví všech tvůrců. Použití těchto obrázků není určeno pro komerční zisk.

Pokud se domníváte, že jakýkoli použitý obsah porušuje vaše autorská práva, kontaktujte nás. Jsme více než ochotni přijmout vhodná opatření, včetně odstranění obrázků nebo poskytnutí řádného uvedení zdroje, abychom zajistili soulad se zákony a předpisy o duševním vlastnictví. Naším cílem je udržovat platformu, která je bohatá na obsah, je spravedlivá a respektuje práva duševního vlastnictví ostatních.

Kontaktujte nás prosím na následující e-mailové adrese:sales@lumispot.cn. Zavazujeme se podniknout okamžité kroky po obdržení jakéhokoli oznámení a garantujeme 100% spolupráci při řešení jakýchkoli takových problémů.