Uutiset - TOF-järjestelmän (lentoaika) perusperiaate ja soveltaminen

Tilaa sosiaalisen median kanavamme saadaksesi nopeita julkaisuja

Tämän sarjan tavoitteena on tarjota lukijoille syvällinen ja edistyksellinen ymmärrys lentoaikajärjestelmään (TOF). Sisältö kattaa kattavan yleiskatsauksen TOF-järjestelmistä, mukaan lukien yksityiskohtaiset selitykset sekä epäsuorasta TOF:sta (iTOF) että suorasta TOF:sta (dTOF). Nämä osiot syventyvät järjestelmäparametreihin, niiden etuihin ja haittoihin sekä erilaisiin algoritmeihin. Artikkelissa tarkastellaan myös TOF-järjestelmien eri komponentteja, kuten vertikaalisia ontelopintalasereita (VCSEL), lähetys- ja vastaanottolinssejä, vastaanottoantureita, kuten CIS, APD, SPAD, SiPM, ja ohjainpiirejä, kuten ASIC-piirejä.

Johdatus lentoaikaan (TOF)

Perusperiaatteet

TOF, joka on lyhenne sanoista Time of Flight, on menetelmä etäisyyden mittaamiseen laskemalla aika, joka valolta kuluu tietyn matkan kulkemiseen väliaineessa. Tätä periaatetta sovelletaan pääasiassa optisissa TOF-skenaarioissa, ja se on suhteellisen yksinkertainen. Prosessissa valonlähde lähettää valonsäteen, jonka säteilyaika kirjataan. Tämä valo heijastuu sitten kohteesta, vastaanotin tallentaa sen ja vastaanottoaika kirjataan. Näiden aikojen ero, jota merkitään t:nä, määrittää etäisyyden (d = valonnopeus (c) × t / 2).

ToF-antureiden tyypit

ToF-antureita on kahta päätyyppiä: optisia ja sähkömagneettisia. Yleisemmät optiset ToF-anturit käyttävät etäisyyden mittaamiseen valoimpulsseja, tyypillisesti infrapuna-alueella. Nämä pulssit lähtevät anturista, heijastuvat kohteesta ja palaavat anturiin, jossa matka-aika mitataan ja käytetään etäisyyden laskemiseen. Sähkömagneettiset ToF-anturit puolestaan käyttävät sähkömagneettisia aaltoja, kuten tutkaa tai lidaria, etäisyyden mittaamiseen. Ne toimivat samalla periaatteella, mutta käyttävät eri väliainettaetäisyyden mittaus.

ToF-antureiden 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:Yleisiä liiketunnistimissa tunkeilijoiden havaitsemiseen, hälytysten laukaisemiseen tai kamerajärjestelmien aktivoimiseen.

Autoteollisuus:Sisällytettynä kuljettajan avustusjärjestelmiin mukautuvaa vakionopeudensäädintä ja törmäyksenestojärjestelmää varten, ja siitä on tulossa yhä yleisempi uusissa ajoneuvomalleissa.

Lääketieteen alaKäytetään ei-invasiivisessa kuvantamisessa ja diagnostiikassa, kuten optisessa koherenssitomografiassa (OCT), jossa tuotetaan korkean resoluution kudoskuvia.

KulutuselektroniikkaIntegroitu älypuhelimiin, tabletteihin ja kannettaviin tietokoneisiin ominaisuuksia, kuten kasvojentunnistus, biometrinen todennus ja eleiden tunnistus.

Droonit:Käytetään navigointiin, törmäysten välttämiseen sekä yksityisyyden suojaan ja ilmailuun liittyvien huolenaiheiden ratkaisemiseen

TOF-järjestelmän arkkitehtuuri

Tyypillinen TOF-järjestelmä koostuu useista keskeisistä komponenteista etäisyyden mittaamiseksi kuvatulla tavalla:

· Lähetin (Tx):Tämä sisältää laservalonlähteen, pääasiassaVCSEL, laserin ohjaamiseen tarkoitettu ASIC-ohjainpiiri ja säteen ohjausta varten tarkoitetut optiset komponentit, kuten kollimoivat linssit tai diffraktiiviset optiset elementit ja suodattimet.
· Vastaanotin (Rx):Tämä koostuu vastaanottopään linsseistä ja suodattimista, antureista, kuten CIS, SPAD tai SiPM TOF-järjestelmästä riippuen, ja kuvasignaaliprosessorista (ISP) vastaanotinpiiriltä tulevien suurten tietomäärien käsittelyyn.
·Virranhallinta:Vakaan hallintaVCSEL-transistorien virransäätö ja SPAD-transistorien korkeajännitteen säätö on ratkaisevan tärkeää, mikä edellyttää vankkaa virranhallintaa.
· Ohjelmistokerros:Tämä sisältää laiteohjelmiston, SDK:n, käyttöjärjestelmän ja sovelluskerroksen.

Arkkitehtuuri havainnollistaa, kuinka VCSEL:stä lähtöisin oleva ja optisten komponenttien muokkaama lasersäde kulkee avaruuden läpi, heijastuu kohteesta ja palaa vastaanottimeen. Tässä prosessissa käytetty aikaviiveen laskenta paljastaa etäisyys- tai syvyystiedot. Tämä arkkitehtuuri ei kuitenkaan kata kohinareittejä, kuten auringonvalon aiheuttamaa kohinaa tai heijastusten monitieistä kohinaa, joita käsitellään myöhemmin tässä sarjassa.

TOF-järjestelmien luokittelu

TOF-järjestelmät luokitellaan pääasiassa niiden etäisyysmittaustekniikoiden perusteella: suora TOF (dTOF) ja epäsuora TOF (iTOF), joilla molemmilla on omat laitteisto- ja algoritmimenetelmänsä. Sarjassa aluksi esitetään niiden periaatteet ennen kuin vertaillaan niiden etuja, haasteita ja järjestelmäparametreja.

Vaikka TOF-tekniikan näennäisen yksinkertainen periaate – valopulssin lähettäminen ja sen paluusignaalin havaitseminen etäisyyden laskemiseksi – on monimutkaisuus siinä, miten palaava valo erotetaan ympäristön valosta. Tämä ratkaistaan lähettämällä riittävän kirkasta valoa korkean signaali-kohinasuhteen saavuttamiseksi ja valitsemalla sopivat aallonpituudet ympäristön valon häiriöiden minimoimiseksi. Toinen lähestymistapa on koodata lähetetty valo niin, että se on erotettavissa palatessaan, samalla tavalla kuin taskulampun SOS-signaaleissa.

Sarjassa vertaillaan dTOF:ia ja iTOF:ia, käsitellään yksityiskohtaisesti niiden eroja, etuja ja haasteita ja luokitellaan TOF-järjestelmät edelleen niiden tarjoamien tietojen monimutkaisuuden perusteella vaihdellen 1D-TOF:sta 3D-TOF:iin.

dTOF

Suora TOF mittaa suoraan fotonin lentoaikaa. Sen keskeinen komponentti, yksittäisten fotonien lumivyörydiodi (SPAD), on riittävän herkkä havaitsemaan yksittäisiä fotoneja. dTOF käyttää aikakorreloitua yksittäisten fotonien laskentaa (TCSPC) fotonien saapumisajan mittaamiseen ja rakentaa histogrammin, joka päättelee todennäköisimmän etäisyyden tietyn aikaeron korkeimman taajuuden perusteella.

iTOF

Epäsuora TOF laskee lentoajan lähetetyn ja vastaanotetun aaltomuodon välisen vaihe-eron perusteella, yleensä käyttäen jatkuvan aallon tai pulssimodulaatiosignaaleja. iTOF voi käyttää standardoituja kuvakennoarkkitehtuureja, jotka mittaavat valon voimakkuutta ajan kuluessa.

iTOF jaetaan edelleen jatkuvan aallon modulaatioon (CW-iTOF) ja pulssimodulaatioon (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mittaa vaihesiirron lähetettyjen ja vastaanotettujen siniaaltojen välillä, kun taas Pulsed-iTOF laskee vaihesiirron käyttämällä kanttiaaltosignaaleja.

Lisälukemista:

Wikipedia. (nd). Lentoaika. Haettu osoitteestahttps://fi.wikipedia.org/wiki/Lentoaika
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Kuvasensorien yleinen teknologia. Haettu osoitteestahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. helmikuuta 2021). Johdatus Microsoft Time Of Flightiin (ToF) - Azure Depth Platform. Haettu osoitteestahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2. maaliskuuta 2023). Lentoaika-anturit (TOF): Syvällinen yleiskatsaus ja sovellukset. Haettu osoitteestahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Verkkosivultahttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

Kirjoittaja: Chao Guang

Vastuuvapauslauseke:

Ilmoitamme täten, että osa verkkosivustollamme 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 käytetystä sisällöstä loukkaa tekijänoikeuksiasi, ota meihin yhteyttä. Olemme enemmän kuin valmiita ryhtymään asianmukaisiin toimenpiteisiin, mukaan lukien kuvien poistaminen tai asianmukaisen lähteen ilmoittaminen, varmistaaksemme immateriaalioikeuslakien ja -määräysten noudattamisen. Tavoitteenamme on ylläpitää alustaa, joka on sisällöltään rikas, oikeudenmukainen ja kunnioittaa muiden immateriaalioikeuksia.

Ota meihin yhteyttä seuraavaan sähköpostiosoitteeseen:sales@lumispot.cnSitoudumme ryhtymään välittömästi toimiin saatuamme ilmoituksen ja takaamme 100 %:n yhteistyön tällaisten ongelmien ratkaisemiseksi.