Новини - Основний принцип і застосування системи TOF (Time of Flight).

Підпишіться на наші соціальні мережі, щоб отримувати оперативні публікації

Ця серія має на меті надати читачам поглиблене та прогресивне розуміння системи часу польоту (TOF). Вміст охоплює вичерпний огляд систем TOF, включаючи докладні пояснення як непрямого TOF (iTOF), так і прямого TOF (dTOF). У цих розділах розглядаються параметри системи, їхні переваги та недоліки, а також різні алгоритми. У статті також досліджуються різні компоненти систем TOF, такі як поверхнево-випромінювальні лазери з вертикальною порожниною (VCSEL), передавальні та приймальні лінзи, приймальні датчики, такі як CIS, APD, SPAD, SiPM, і схеми драйверів, такі як ASIC.

Вступ до TOF (Time of Flight)

Основні принципи

TOF, що означає Time of Flight, — це метод, який використовується для вимірювання відстані шляхом обчислення часу, необхідного для того, щоб світло подолало певну відстань у середовищі. Цей принцип в основному застосовується в оптичних сценаріях TOF і є відносно простим. Процес включає джерело світла, що випромінює промінь світла, із записаним часом випромінювання. Потім це світло відбивається від цілі, вловлюється приймачем і фіксується час отримання. Різниця в цих часах, 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 подорожі та використовується для обчислення відстані. Навпаки, електромагнітні датчики ToF використовують електромагнітні хвилі, як радар або лідар, для вимірювання відстані. Вони працюють за схожим принципом, але використовують інше середовищевимірювання відстані.

Застосування датчиків ToF

Датчики ToF є універсальними та інтегровані в різні галузі:

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

Системи безпеки:Поширений у датчиках руху для виявлення зловмисників, запуску сигналів тривоги або активації систем камер.

Автомобільна промисловість:Вбудовані в системи допомоги водієві для адаптивного круїз-контролю та запобігання зіткненням, стають все більш поширеними в нових моделях транспортних засобів.

Медична сфера: Застосовується в неінвазивній візуалізації та діагностиці, такій як оптична когерентна томографія (ОКТ), яка створює зображення тканин з високою роздільною здатністю.

Побутова електроніка: інтегровано в смартфони, планшети та ноутбуки для таких функцій, як розпізнавання обличчя, біометрична автентифікація та розпізнавання жестів.

Дрони:Використовується для навігації, уникнення зіткнень, а також для вирішення проблем конфіденційності та авіації

Архітектура системи TOF

Типова система TOF складається з кількох ключових компонентів для досягнення описаного вимірювання відстані:

· Передавач (Tx):Це включає лазерне джерело світла, головним чином aVCSEL, схему драйвера ASIC для керування лазером та оптичні компоненти для керування променем, такі як колімаційні лінзи або дифракційні оптичні елементи та фільтри.
· Приймач (Rx):Він складається з лінз і фільтрів на приймальному кінці, таких датчиків, як CIS, SPAD або SiPM залежно від системи TOF, і процесора сигналів зображення (ISP) для обробки великих обсягів даних із чіпа приймача.
·Управління живленням:Управління стабільнимКонтроль струму для VCSEL і високої напруги для SPAD має вирішальне значення, вимагаючи надійного керування живленням.
· Рівень програмного забезпечення:Це включає мікропрограмне забезпечення, SDK, ОС і прикладний рівень.

Архітектура демонструє, як лазерний промінь, що походить від VCSEL і модифікований оптичними компонентами, подорожує в просторі, відбивається від об’єкта та повертається до приймача. Розрахунок проміжку часу в цьому процесі відкриває інформацію про відстань або глибину. Однак ця архітектура не покриває шляхи шуму, такі як шум, викликаний сонячним світлом, або багатопроменевий шум від відображень, які обговорюються далі в серії.

Класифікація систем TOF

Системи TOF в основному класифікуються за методами вимірювання відстані: прямий TOF (dTOF) і непрямий TOF (iTOF), кожна з яких має різні апаратні та алгоритмічні підходи. Серія спочатку окреслює їх принципи, перш ніж заглибитися в порівняльний аналіз їхніх переваг, проблем і параметрів системи.

Незважаючи на здавалося б простий принцип TOF – випромінювання світлового імпульсу та виявлення його повернення для обчислення відстані – складність полягає в тому, щоб відрізнити світло, що повертається, від навколишнього світла. Це вирішується шляхом випромінювання достатньо яскравого світла для досягнення високого співвідношення сигнал/шум і вибору відповідної довжини хвилі для мінімізації перешкод навколишнього світла. Інший підхід полягає в кодуванні випромінюваного світла, щоб зробити його помітним після повернення, подібно до сигналів SOS ліхтариком.

Серія порівнює dTOF та iTOF, детально обговорюючи їхні відмінності, переваги та проблеми, а також класифікує системи TOF на основі складності інформації, яку вони надають, починаючи від 1D TOF до 3D TOF.

dTOF

Прямий TOF безпосередньо вимірює час польоту фотона. Його ключовий компонент, однофотонний лавинний діод (SPAD), достатньо чутливий, щоб виявляти окремі фотони. dTOF використовує корельований підрахунок одиничних фотонів (TCSPC) для вимірювання часу надходження фотонів, побудови гістограми для визначення найбільш ймовірної відстані на основі найвищої частоти певної різниці в часі.

iTOF

Непрямий TOF обчислює час польоту на основі різниці фаз між випромінюваною та прийнятою формами хвилі, зазвичай використовуючи безперервну хвилю або сигнали імпульсної модуляції. iTOF може використовувати стандартні архітектури датчиків зображення, вимірюючи інтенсивність світла з часом.

iTOF далі підрозділяється на модуляцію безперервної хвилі (CW-iTOF) і імпульсну модуляцію (Pulsed-iTOF). CW-iTOF вимірює зсув фази між випромінюваною та прийнятою синусоїдальними хвилями, тоді як Pulsed-iTOF обчислює зсув фази за допомогою прямокутних сигналів.

Подальше читання:

Вікіпедія. (nd). Час польоту. Отримано зhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Група Sony Semiconductor Solutions. (nd). ToF (час польоту) | Загальна технологія датчиків зображення. Отримано зhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 лютого). Знайомство з Microsoft Time Of Flight (ToF) – платформа Azure Depth. Отримано зhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 березня). Датчики часу польоту (TOF): поглиблений огляд і 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

Відмова від відповідальності:

Цим ми заявляємо, що деякі зображення, розміщені на нашому веб-сайті, зібрані з Інтернету та Вікіпедії з метою просування освіти та обміну інформацією. Ми поважаємо права інтелектуальної власності всіх творців. Використання цих зображень не призначене для отримання комерційної вигоди.

Якщо ви вважаєте, що будь-який із використаного вмісту порушує ваші авторські права, зв’яжіться з нами. Ми більш ніж готові вжити відповідних заходів, зокрема видалення зображень або надання належного посилання на джерело, щоб забезпечити дотримання законів і правил інтелектуальної власності. Наша мета полягає в тому, щоб підтримувати платформу з багатим вмістом, справедливу та поважати права інтелектуальної власності інших.

Будь ласка, зв'яжіться з нами за такою електронною адресою:sales@lumispot.cn. Ми зобов’язуємося вжити негайних заходів після отримання будь-якого повідомлення та гарантуємо 100% співпрацю у вирішенні будь-яких подібних проблем.