Uutiset - TOF (Time of Flight) -järjestelmän perusperiaate ja sovellus

Tilaa sosiaalinen mediamme saadaksesi pikaviestejä

Tämän sarjan tavoitteena on tarjota lukijoille syvällinen ja asteittainen ymmärrys lentoaikajärjestelmästä (TOF). Sisältö kattaa kattavan yleiskatsauksen TOF-järjestelmistä, sisältäen sekä epäsuoran TOF:n (iTOF) että suoran TOF:n (dTOF) yksityiskohtaiset selitykset. Näissä osioissa käsitellään järjestelmän parametreja, niiden etuja ja haittoja sekä erilaisia algoritmeja. Artikkelissa tarkastellaan myös TOF-järjestelmien eri komponentteja, kuten pystysuoraa pintaa emittoivia lasereita (VCSEL), lähetys- ja vastaanottolinssejä, vastaanottoantureita, kuten CIS, APD, SPAD, SiPM, ja ohjainpiirejä, kuten ASIC.

TOF:n (Time of Flight) esittely

Perusperiaatteet

TOF, joka tarkoittaa lentoaikaa, on menetelmä, jota käytetään etäisyyden mittaamiseen laskemalla aika, joka kuluu valon kulkemiseen tietyn matkan väliaineessa. Tätä periaatetta sovelletaan ensisijaisesti optisissa TOF-skenaarioissa ja se on suhteellisen yksinkertainen. Prosessi sisältää valonlähteen, joka lähettää valonsäteen, ja säteilyn aika kirjataan. Tämä valo heijastuu sitten kohteesta, vastaanotin sieppaa sen ja vastaanottoaika merkitään muistiin. Näiden aikojen ero, merkitty t:llä, määrittää etäisyyden (d = valon nopeus (c) × t / 2).

ToF-anturien tyypit

ToF-antureita on kahta päätyyppiä: optinen ja sähkömagneettinen. Optiset ToF-anturit, jotka ovat yleisempiä, käyttävät etäisyysmittaukseen valopulsseja, tyypillisesti infrapuna-alueella. Nämä pulssit lähetetään anturista, heijastavat esineestä ja palaavat anturiin, jossa matka-aika mitataan ja sitä käytetään etäisyyden laskemiseen. Sitä vastoin sähkömagneettiset ToF-anturit käyttävät sähkömagneettisia aaltoja, kuten tutka tai lidar, mittaamaan etäisyyttä. Ne toimivat samalla periaatteella, mutta käyttävät eri välinettäetäisyyden mittaus.

ToF-anturien sovellukset

ToF-anturit ovat monipuolisia ja niitä on integroitu useille eri aloille:

Robotiikka:Käytetään esteiden havaitsemiseen ja navigointiin. Esimerkiksi robotit, kuten Roomba ja Boston Dynamicsin Atlas, käyttävät ToF-syvyyskameroita ympäristönsä kartoittamiseen ja liikkeiden suunnitteluun.

Turvajärjestelmät:Yleinen liiketunnistimissa tunkeilijoiden havaitsemiseen, hälytysten laukaisemiseen tai kamerajärjestelmien aktivoimiseen.

Autoteollisuus:Sisältyy kuljettajaa avustaviin järjestelmiin mukautuvaa vakionopeudensäädintä ja törmäysten välttämistä varten, ja siitä tulee yhä yleisempi uusissa ajoneuvomalleissa.

Lääketieteen kenttä: Käytetään ei-invasiivisessa kuvantamisessa ja diagnostiikassa, kuten optisessa koherenssitomografiassa (OCT), joka tuottaa korkearesoluutioisia kudoskuvia.

Kuluttajaelektroniikka: Integroitu älypuhelimiin, tabletteihin ja kannettaviin ominaisuuksiin, kuten kasvojentunnistus, biometrinen todennus ja eleiden tunnistus.

Droonit:Käytetään navigointiin, törmäysten välttämiseen sekä yksityisyyteen ja ilmailuun liittyviin huolenaiheisiin

TOF-järjestelmäarkkitehtuuri

Tyypillinen TOF-järjestelmä koostuu useista avainkomponenteista, joilla saavutetaan kuvattu etäisyysmittaus:

· Lähetin (Tx):Tämä sisältää laservalonlähteen, pääasiassa aVCSEL, ohjainpiiri ASIC laserin ohjaamiseksi ja optiset komponentit säteen ohjaukseen, kuten kollimoivat linssit tai diffraktiiviset optiset elementit ja suodattimet.
· Vastaanotin (Rx):Tämä koostuu linsseistä ja suodattimista vastaanottopäässä, antureista, kuten CIS, SPAD tai SiPM TOF-järjestelmästä riippuen, ja kuvasignaaliprosessorista (ISP), joka käsittelee suuria tietomääriä vastaanotinsirulta.
·Virranhallinta:Hallitseva vakaaVCSEL:ien virransäätö ja SPAD:iden korkeajännite on ratkaisevan tärkeää, mikä vaatii vahvaa virranhallintaa.
· Ohjelmistokerros:Tämä sisältää laiteohjelmiston, SDK:n, käyttöjärjestelmän ja sovelluskerroksen.

Arkkitehtuuri osoittaa, kuinka VCSEL:stä peräisin oleva ja optisilla komponenteilla modifioitu lasersäde kulkee avaruuden läpi, heijastuu kohteesta ja palaa vastaanottimeen. Tämän prosessin aikaviivelaskenta paljastaa etäisyys- tai syvyystiedot. Tämä arkkitehtuuri ei kuitenkaan kata kohinareittejä, kuten auringonvalon aiheuttamaa kohinaa tai monitiekohinaa heijastuksista, joita käsitellään myöhemmin sarjassa.

TOF-järjestelmien luokitus

TOF-järjestelmät luokitellaan ensisijaisesti niiden etäisyysmittaustekniikoiden mukaan: suora TOF (dTOF) ja epäsuora TOF (iTOF), joista jokaisella on omat laitteisto- ja algoritmiset lähestymistavat. Sarjassa hahmotellaan aluksi niiden periaatteet ennen kuin sukeltaa vertailevaan analyysiin niiden eduista, haasteista ja järjestelmäparametreista.

Huolimatta näennäisen yksinkertaisesta TOF:n periaatteesta – valopulssin lähettäminen ja sen paluutuloksen havaitseminen etäisyyden laskemiseksi – monimutkaisuus piilee palaavan valon erottamisessa ympäröivästä valosta. Tämä ratkaistaan lähettämällä riittävän kirkasta valoa korkean signaali-kohinasuhteen saavuttamiseksi ja valitsemalla sopivat aallonpituudet ympäristön valohäiriöiden minimoimiseksi. Toinen lähestymistapa on koodata säteilevä valo, jotta se erottuu palatessa, kuten SOS-signaalit taskulampulla.

Sarja jatkaa dTOF:n ja iTOF:n vertailua, keskustelee niiden eroista, eduista ja haasteista yksityiskohtaisesti ja luokittelee TOF-järjestelmät edelleen niiden tarjoaman tiedon monimutkaisuuden perusteella 1D TOF:sta 3D TOF:iin.

dTOF

Suora TOF mittaa suoraan fotonin lentoajan. Sen avainkomponentti, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), on riittävän herkkä havaitsemaan yksittäisiä fotoneja. dTOF käyttää Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) -menetelmää fotonien saapumisajan mittaamiseen ja muodostaa histogrammin päättelemään todennäköisimmän etäisyyden tietyn aikaeron suurimman taajuuden perusteella.

iTOF

Epäsuora TOF laskee lentoajan lähetettyjen ja vastaanotettujen aaltomuotojen välisen vaihe-eron perusteella, yleensä käyttämällä jatkuvaa aalto- tai pulssimodulaatiosignaalia. iTOF voi käyttää tavallisia kuvasensorarkkitehtuuria mittaamalla valon voimakkuutta ajan mittaan.

iTOF on edelleen jaettu jatkuvaan aaltomodulaatioon (CW-iTOF) ja pulssimodulaatioon (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mittaa vaihesiirron lähetettyjen ja vastaanotettujen siniaaltojen välillä, kun taas Pulsed-iTOF laskee vaihesiirron käyttämällä neliöaaltosignaaleja.

Lisälukemista:

Wikipedia. (nd). Lennon aika. Haettu osoitteestahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (lentoaika) | Kuvaantureiden yleinen tekniikka. Haettu osoitteestahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. helmikuuta). Microsoftin lentoajan (ToF) esittely – Azure Depth Platform. Haettu osoitteestahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2. maaliskuuta). Lentoajan (TOF) anturit: perusteellinen yleiskatsaus ja sovellukset. Haettu osoitteestahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Web-sivultahttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

kirjoittaja: Chao Guang

Vastuuvapauslauseke:

Vakuutamme täten, että osa verkkosivuillamme näytetyistä kuvista on kerätty Internetistä ja Wikipediasta koulutuksen ja tiedon jakamisen edistämiseksi. Kunnioitamme kaikkien tekijöiden immateriaalioikeuksia. Näiden kuvien käyttö ei ole tarkoitettu kaupalliseen hyötyyn.

Jos uskot, että jokin käytetty sisältö loukkaa tekijänoikeuksiasi, ota meihin yhteyttä. Olemme enemmän kuin valmiita ryhtymään asianmukaisiin toimenpiteisiin, mukaan lukien kuvien poistaminen tai asianmukaisten tietojen antaminen varmistaaksemme immateriaalioikeuksia koskevien lakien ja määräysten noudattamisen. Tavoitteemme on ylläpitää alustaa, joka on sisällöltään runsas, oikeudenmukainen ja kunnioittaa muiden immateriaalioikeuksia.

Ota meihin yhteyttä seuraavaan sähköpostiosoitteeseen:sales@lumispot.cn. Sitoudumme ryhtymään välittömästi toimiin ilmoituksen saatuamme ja takaamme 100 % yhteistyön tällaisten ongelmien ratkaisemisessa.