Новини - Основний принцип та застосування системи TOF (час польоту)

Підпишіться на наші соціальні мережі для оперативної публікації

Ця серія має на меті надати читачам поглиблене та прогресивне розуміння системи вимірювання часу прольоту (TOF). Зміст охоплює вичерпний огляд систем TOF, включаючи детальні пояснення як непрямого TOF (iTOF), так і прямого TOF (dTOF). У цих розділах заглиблюються в параметри системи, їх переваги та недоліки, а також різні алгоритми. У статті також розглядаються різні компоненти систем TOF, такі як лазери з вертикальним резонатором та поверхневим випромінюванням (VCSEL), передавальні та приймальні лінзи, приймальні датчики, такі як CIS, APD, SPAD, SiPM, та схеми керування, такі як ASIC.

Вступ до TOF (часу польоту)

Основні принципи

TOF, що розшифровується як «час польоту» (Time of Flight) – це метод вимірювання відстані шляхом обчислення часу, необхідного світлу для подолання певної відстані в середовищі. Цей принцип застосовується переважно в оптичних сценаріях TOF і є відносно простим. Процес передбачає випромінювання джерелом світла променя світла, при цьому реєструється час випромінювання. Потім це світло відбивається від цілі, вловлюється приймачем, і фіксується час прийому. Різниця цих часів, позначена як t, визначає відстань (d = швидкість світла (c) × t / 2).

Типи датчиків ToF

Існує два основних типи датчиків ToF: оптичні та електромагнітні. Оптичні датчики ToF, які є більш поширеними, використовують світлові імпульси, зазвичай в інфрачервоному діапазоні, для вимірювання відстані. Ці імпульси випромінюються датчиком, відбиваються від об'єкта та повертаються до датчика, де вимірюється час проходження, який використовується для обчислення відстані. На відміну від цього, електромагнітні датчики ToF використовують електромагнітні хвилі, такі як радар або лідар, для вимірювання відстані. Вони працюють за подібним принципом, але використовують інше середовище для...вимірювання відстані.

Застосування датчиків ToF

Датчики ToF універсальні та інтегровані в різні галузі:

Робототехніка:Використовується для виявлення перешкод та навігації. Наприклад, роботи, такі як Roomba та Atlas від Boston Dynamics, використовують глибинні камери ToF для картографування свого оточення та планування рухів.

Системи безпеки:Поширені в датчиках руху для виявлення зловмисників, спрацьовування сигналізації або активації систем камер.

Автомобільна промисловість:Вбудовані в системи допомоги водієві для адаптивного круїз-контролю та запобігання зіткненням, стають дедалі поширенішими в нових моделях автомобілів.

Медична галузьВикористовується в неінвазивній візуалізації та діагностиці, такій як оптична когерентна томографія (ОКТ), що дозволяє отримувати зображення тканин високої роздільної здатності.

Побутова електронікаІнтегровано у смартфони, планшети та ноутбуки для таких функцій, як розпізнавання обличчя, біометрична автентифікація та розпізнавання жестів.

Дрони:Використовується для навігації, запобігання зіткненням, а також для вирішення проблем конфіденційності та авіації.

Архітектура системи TOF

Типова система TOF складається з кількох ключових компонентів для досягнення вимірювання відстані, як описано:

· Передавач (Tx):Це включає джерело лазерного світла, головним чиномVCSEL, схему керування ASIC для керування лазером та оптичні компоненти для керування променем, такі як колімаційні лінзи або дифракційні оптичні елементи, і фільтри.
· Приймач (Rx):Це складається з лінз та фільтрів на приймальному кінці, датчиків, таких як CIS, SPAD або SiPM, залежно від системи TOF, та процесора обробки сигналів зображення (ISP) для обробки великих обсягів даних з чіпа приймача.
·Управління живленням:Управління стабільністюКонтроль струму для VCSEL та високої напруги для SPAD є критично важливим, що вимагає надійного управління живленням.
· Програмний рівень:Це включає прошивку, SDK, ОС та рівень додатків.

Архітектура демонструє, як лазерний промінь, що походить від VCSEL та модифікований оптичними компонентами, проходить крізь простір, відбивається від об'єкта та повертається до приймача. Розрахунок інтервалу часу в цьому процесі показує інформацію про відстань або глибину. Однак ця архітектура не охоплює шумові шляхи, такі як шум, викликаний сонячним світлом, або багатопроменевий шум від відбиттів, які обговорюватимуться пізніше в серії.

Класифікація систем TOF

Системи TOF в основному класифікуються за методами вимірювання відстані: прямий TOF (dTOF) та непрямий TOF (iTOF), кожен з яких має різні апаратні та алгоритмічні підходи. У серії спочатку окреслюються їхні принципи, а потім заглиблюється в порівняльний аналіз їхніх переваг, проблем та системних параметрів.

Незважаючи на, здавалося б, простий принцип TOF – випромінювання світлового імпульсу та виявлення його повернення для обчислення відстані – складність полягає в диференціації повернутого світла від навколишнього світла. Це вирішується шляхом випромінювання достатньо яскравого світла для досягнення високого співвідношення сигнал/шум та вибору відповідних довжин хвиль для мінімізації перешкод від навколишнього світла. Інший підхід полягає в кодуванні випромінюваного світла, щоб зробити його розрізненим після повернення, подібно до сигналів SOS за допомогою ліхтарика.

У серії статей порівнюються dTOF та iTOF, детально обговорюються їхні відмінності, переваги та проблеми, а також класифікуються системи TOF на основі складності інформації, яку вони надають, починаючи від 1D TOF до 3D TOF.

dTOF

Прямий часопролітний вимірювач часу безпосередньо вимірює час прольоту фотона. Його ключовий компонент, лавинний діод для окремих фотонів (SPAD), достатньо чутливий для виявлення окремих фотонів. dTOF використовує корельований з часом підрахунок окремих фотонів (TCSPC) для вимірювання часу прибуття фотонів, будуючи гістограму для визначення найімовірнішої відстані на основі найвищої частоти певної різниці в часі.

іТОФ

Непрямий TOF розраховує час польоту на основі різниці фаз між випромінюваними та прийнятими формами хвиль, зазвичай використовуючи сигнали безперервної хвилі або імпульсної модуляції. iTOF може використовувати стандартні архітектури датчиків зображення, вимірюючи інтенсивність світла з плином часу.

iTOF також поділяється на модуляцію безперервної хвилі (CW-iTOF) та імпульсну модуляцію (Pulsed-iTOF). CW-iTOF вимірює фазовий зсув між випромінюваними та прийнятими синусоїдальними хвилями, тоді як Pulsed-iTOF обчислює фазовий зсув за допомогою сигналів прямокутної хвилі.

Додаткова інформація:

Вікіпедія. (й). Час польоту. Отримано зhttps://en.wikipedia.org/wiki/Час_польоту
Sony Semiconductor Solutions Group. (й). ToF (час польоту) | Загальна технологія датчиків зображення. Отримано зhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 лютого 2021 р.). Вступ до Microsoft Time Of Flight (ToF) – платформа глибини Azure. Отримано зhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 березня 2023 р.). Датчики часу прольоту (TOF): детальний огляд та застосування. Отримано зhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

З веб-сторінкиhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

автор: Чао Гуан

Застереження:

Цим ми заявляємо, що деякі зображення, що відображаються на нашому веб-сайті, зібрані з Інтернету та Вікіпедії з метою сприяння освіті та обміну інформацією. Ми поважаємо права інтелектуальної власності всіх авторів. Використання цих зображень не має на меті отримання комерційної вигоди.

Якщо ви вважаєте, що будь-який використаний контент порушує ваші авторські права, будь ласка, зв’яжіться з нами. Ми більш ніж готові вжити відповідних заходів, включаючи видалення зображень або належне посилання на авторство, щоб забезпечити дотримання законів та правил щодо інтелектуальної власності. Наша мета — підтримувати платформу, яка є багатою на контент, справедливою та поважає права інтелектуальної власності інших осіб.

Будь ласка, зв’яжіться з нами за наступною електронною адресою:sales@lumispot.cnМи зобов’язуємося вживати негайних заходів після отримання будь-якого повідомлення та гарантуємо 100% співпрацю у вирішенні будь-яких таких проблем.