Hírek - A TOF (Time of Flight) rendszer alapelve és alkalmazása

Iratkozzon fel közösségi médiánkra az azonnali bejegyzésekért

Ennek a sorozatnak az a célja, hogy az olvasók számára mélyreható és fokozatos megértést biztosítson a repülési idő (TOF) rendszerről. A tartalom a TOF-rendszerek átfogó áttekintését tartalmazza, beleértve az indirekt TOF (iTOF) és a közvetlen TOF (dTOF) részletes magyarázatát is. Ezek a részek a rendszerparaméterekkel, azok előnyeivel és hátrányaival, valamint a különféle algoritmusokkal foglalkoznak. A cikk a TOF-rendszerek különböző összetevőit is feltárja, például a függőleges üreges felületet kibocsátó lézereket (VCSEL), az átviteli és vételi lencséket, a vevő érzékelőket, például a CIS-t, az APD-t, a SPAD-t, a SiPM-et és a meghajtó áramköröket, például az ASIC-eket.

Bevezetés a TOF-ba (repülési idő)

Alapelvek

A TOF, a repülési idő rövidítése, a távolság mérésére szolgáló módszer, amelynek során kiszámítják azt az időt, amely alatt a fény egy adott távolságot megtesz egy közegben. Ezt az elvet elsősorban az optikai TOF-forgatókönyvekben alkalmazzák, és viszonylag egyszerű. A folyamat során egy fényforrás fénysugarat bocsát ki, a kibocsátás idejét rögzítve. Ez a fény azután visszaverődik egy célpontról, felfogja a vevő, és feljegyzi a vétel időpontját. Ezeknek az időknek a különbsége, amelyet t-vel jelölünk, határozza meg a távolságot (d = fénysebesség (c) × t / 2).

A ToF érzékelők típusai

A ToF érzékelőknek két fő típusa van: optikai és elektromágneses. Az optikai ToF érzékelők, amelyek elterjedtebbek, fényimpulzusokat használnak, jellemzően az infravörös tartományban a távolságméréshez. Ezeket az impulzusokat az érzékelő bocsátja ki, visszaverődik egy tárgyról, majd visszatér az érzékelőhöz, ahol megmérik az utazási időt, és a távolság kiszámításához használják. Ezzel szemben az elektromágneses ToF érzékelők elektromágneses hullámokat, például radart vagy lidart használnak a távolság mérésére. Hasonló elven működnek, de más médiát használnaktávolságmérés.

ToF érzékelők alkalmazásai

A ToF érzékelők sokoldalúak, és különféle területekre integrálhatók:

Robotika:Akadályészlelésre és navigációra használják. Például az olyan robotok, mint a Roomba és a Boston Dynamics Atlas, ToF mélységkamerákat alkalmaznak a környezetük feltérképezésére és a mozgások tervezésére.

Biztonsági rendszerek:Gyakori a mozgásérzékelőkben a behatolók észlelésére, riasztások indítására vagy kamerarendszerek aktiválására.

Autóipar:Az adaptív sebességtartó automatika és az ütközés elkerülése érdekében beépítve a vezetőt segítő rendszerekbe, és egyre inkább elterjedt az új járműmodellekben.

Orvosi mező: Nem invazív képalkotásban és diagnosztikában alkalmazzák, mint például az optikai koherencia tomográfia (OCT), amely nagy felbontású szövetképeket készít.

Szórakoztató elektronika: Okostelefonokba, táblagépekbe és laptopokba integrálva olyan funkciókhoz, mint az arcfelismerés, biometrikus hitelesítés és gesztusfelismerés.

Drónok:Használható navigációhoz, ütközések elkerüléséhez, valamint adatvédelmi és repülési aggályok megoldásához

TOF rendszerarchitektúra

Egy tipikus TOF rendszer több kulcsfontosságú összetevőből áll a leírt távolságmérés eléréséhez:

· Adó (Tx):Ez magában foglalja a lézeres fényforrást, elsősorban aVCSEL, egy ASIC meghajtó áramkör a lézer meghajtására, valamint optikai komponensek a sugárvezérléshez, például kollimáló lencsék vagy diffrakciós optikai elemek és szűrők.
· Vevő (Rx):Ez objektívekből és szűrőkből áll a vevő oldalon, érzékelőkből, mint például CIS, SPAD vagy SiPM a TOF rendszertől függően, valamint egy képjel-processzorból (ISP) a vevő chip nagy mennyiségű adat feldolgozására.
·Energiagazdálkodás:Stabil vezetésA VCSEL-ek áramszabályozása, a SPAD-k esetében pedig a nagyfeszültség-szabályozás kulcsfontosságú, ami robusztus energiagazdálkodást igényel.
· Szoftver réteg:Ez magában foglalja a firmware-t, az SDK-t, az operációs rendszert és az alkalmazási réteget.

Az architektúra bemutatja, hogy a VCSEL-ből származó és optikai komponensekkel módosított lézersugár hogyan halad át a térben, visszaverődik egy tárgyról, és visszatér a vevőhöz. Az időeltolódás számítása ebben a folyamatban távolság- vagy mélységinformációkat tár fel. Ez az architektúra azonban nem fedi le a zajutakat, például a napfény által kiváltott zajt vagy a visszaverődésekből származó többutas zajt, amelyeket a sorozat későbbi részében tárgyalunk.

A TOF rendszerek osztályozása

A TOF-rendszereket elsősorban távolságmérési technikáik szerint osztályozzák: közvetlen TOF (dTOF) és indirekt TOF (iTOF), amelyek mindegyike külön hardveres és algoritmikus megközelítéssel rendelkezik. A sorozat kezdetben felvázolja az elveiket, mielőtt az előnyeik, kihívásaik és rendszerparamétereik összehasonlító elemzésébe nyúlna.

A TOF látszólag egyszerű elve ellenére – fényimpulzus kibocsátása és annak visszatérésének észlelése a távolság kiszámításához – a bonyolultság a visszatérő fény és a környezeti fény megkülönböztetésében rejlik. Ezt úgy oldják meg, hogy kellően erős fényt bocsátanak ki a magas jel-zaj arány eléréséhez, és megfelelő hullámhosszokat választanak a környezeti fény interferencia minimalizálása érdekében. Egy másik megközelítés a kibocsátott fény kódolása, hogy visszatéréskor megkülönböztethető legyen, hasonlóan az SOS jelekhez egy zseblámpával.

A sorozat a dTOF és az iTOF összehasonlításával folytatja, részletesen tárgyalja különbségeiket, előnyeiket és kihívásaikat, és tovább kategorizálja a TOF-rendszereket az általuk nyújtott információk összetettsége alapján, az 1D TOF-tól a 3D TOF-ig.

dTOF

A közvetlen TOF közvetlenül méri a foton repülési idejét. Kulcsfontosságú komponense, a Single Photon Avalanche Diode (SPAD), elég érzékeny az egyes fotonok észleléséhez. A dTOF Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) segítségével méri a fotonok érkezési idejét, hisztogramot készítve a legvalószínűbb távolság levezetésére egy adott időkülönbség legmagasabb frekvenciája alapján.

iTOF

Az indirekt TOF a kibocsátott és vett hullámformák közötti fáziskülönbség alapján számítja ki a repülési időt, általában folyamatos hullám- vagy impulzusmodulációs jeleket használva. Az iTOF szabványos képérzékelő-architektúrákat használhat, és idővel méri a fényintenzitást.

Az iTOF tovább oszlik folyamatos hullámmodulációra (CW-iTOF) és impulzusmodulációra (Pulsed-iTOF). A CW-iTOF a kibocsátott és vett szinuszos hullámok közötti fáziseltolódást méri, míg a Pulsed-iTOF négyszögjelek alapján számítja ki a fáziseltolódást.

További olvasnivalók:

Wikipédia. (nd). A repülés ideje. Letöltve innenhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (repülési idő) | A képérzékelők általános technológiája. Letöltve innenhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, február 4.). A Microsoft Repülési idő (ToF) – Azure Depth Platform bemutatása. Letöltve innenhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, március 2.). Repülési idő (TOF) érzékelők: mélyreható áttekintés és alkalmazások. Letöltve innenhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

A weboldalrólhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

a szerző: Chao Guang

Jogi nyilatkozat:

Ezúton kijelentjük, hogy a weboldalunkon megjelenített képek egy része az internetről és a Wikipédiáról gyűjtött, oktatás és információmegosztás elősegítése céljából. Tiszteletben tartjuk minden alkotó szellemi tulajdonjogát. A képek felhasználásának célja nem kereskedelmi haszonszerzés.

Ha úgy gondolja, hogy a felhasznált tartalom sérti az Ön szerzői jogait, kérjük, lépjen kapcsolatba velünk. Több mint hajlandóak vagyunk megtenni a megfelelő intézkedéseket, beleértve a képek eltávolítását vagy a megfelelő forrásmegjelölést, hogy biztosítsuk a szellemi tulajdonra vonatkozó törvények és előírások betartását. Célunk egy tartalomban gazdag, tisztességes és mások szellemi tulajdonjogait tiszteletben tartó platform fenntartása.

Kérjük, vegye fel velünk a kapcsolatot az alábbi e-mail címen:sales@lumispot.cn. Elkötelezzük magunkat, hogy azonnali lépéseket teszünk, ha bármilyen értesítést kapunk, és 100%-os együttműködést garantálunk az ilyen problémák megoldásában.