Nyheter - Grunnleggende prinsipp og anvendelse av TOF(Time of Flight) System

Abonner på våre sosiale medier for raske innlegg

Denne serien har som mål å gi leserne en dyptgående og progressiv forståelse av Time of Flight (TOF)-systemet. Innholdet dekker en omfattende oversikt over TOF-systemer, inkludert detaljerte forklaringer av både indirekte TOF (iTOF) og direkte TOF (dTOF). Disse seksjonene fordyper seg i systemparametere, deres fordeler og ulemper, og ulike algoritmer. Artikkelen utforsker også de forskjellige komponentene i TOF-systemer, for eksempel vertikale hulromsoverflateemitterende lasere (VCSELs), overførings- og mottakslinser, mottakssensorer som CIS, APD, SPAD, SiPM og driverkretser som ASICs.

Introduksjon til TOF (Time of Flight)

Grunnleggende prinsipper

TOF, som står for Time of Flight, er en metode som brukes til å måle avstand ved å beregne tiden det tar for lys å reise en bestemt avstand i et medium. Dette prinsippet brukes først og fremst i optiske TOF-scenarier og er relativt enkelt. Prosessen involverer en lyskilde som sender ut en lysstråle, med tidspunktet for emisjonen registrert. Dette lyset reflekteres deretter fra et mål, fanges opp av en mottaker, og mottakstidspunktet noteres. Forskjellen i disse tidene, betegnet som t, bestemmer avstanden (d = lysets hastighet (c) × t / 2).

Typer ToF-sensorer

Det er to primære typer ToF-sensorer: optiske og elektromagnetiske. Optiske ToF-sensorer, som er mer vanlige, bruker lyspulser, typisk i det infrarøde området, for avstandsmåling. Disse pulsene sendes ut fra sensoren, reflekteres av et objekt og går tilbake til sensoren, hvor reisetiden måles og brukes til å beregne avstand. Derimot bruker elektromagnetiske ToF-sensorer elektromagnetiske bølger, som radar eller lidar, for å måle avstand. De opererer på et lignende prinsipp, men bruker et annet medium foravstandsmåling.

Anvendelser av ToF-sensorer

ToF-sensorer er allsidige og har blitt integrert i ulike felt:

Robotikk:Brukes til hindringsdeteksjon og navigering. Roboter som Roomba og Boston Dynamics Atlas bruker for eksempel ToF-dybdekameraer for å kartlegge omgivelsene og planlegge bevegelser.

Sikkerhetssystemer:Vanlig i bevegelsessensorer for å oppdage inntrengere, utløse alarmer eller aktivere kamerasystemer.

Bilindustri:Innlemmet i førerassistentsystemer for adaptiv cruisekontroll og kollisjonsunngåelse, og blir stadig mer utbredt i nye kjøretøymodeller.

Medisinsk felt: Ansatt i ikke-invasiv avbildning og diagnostikk, som optisk koherenstomografi (OCT), produserer høyoppløselige vevsbilder.

Forbrukerelektronikk: Integrert i smarttelefoner, nettbrett og bærbare datamaskiner for funksjoner som ansiktsgjenkjenning, biometrisk autentisering og bevegelsesgjenkjenning.

Droner:Brukes for navigasjon, unngå kollisjoner og for å håndtere personvern og luftfartsproblemer

TOF-systemarkitektur

Et typisk TOF-system består av flere nøkkelkomponenter for å oppnå avstandsmålingen som beskrevet:

· Sender (Tx):Dette inkluderer en laserlyskilde, hovedsakelig enVCSEL, en driverkrets ASIC for å drive laseren, og optiske komponenter for strålestyring som kollimerende linser eller diffraktive optiske elementer, og filtre.
· Mottaker (Rx):Dette består av linser og filtre i mottakerenden, sensorer som CIS, SPAD eller SiPM avhengig av TOF-systemet, og en bildesignalprosessor (ISP) for behandling av store mengder data fra mottakerbrikken.
·Strømstyring:Styre stabilstrømkontroll for VCSEL-er og høyspenning for SPAD-er er avgjørende, og krever robust strømstyring.
· Programvarelag:Dette inkluderer fastvare, SDK, OS og applikasjonslag.

Arkitekturen demonstrerer hvordan en laserstråle, som stammer fra VCSEL og modifisert av optiske komponenter, reiser gjennom rommet, reflekterer fra et objekt og returnerer til mottakeren. Tidsforløpsberegningen i denne prosessen avslører informasjon om avstand eller dybde. Denne arkitekturen dekker imidlertid ikke støybaner, slik som sollysindusert støy eller flerveisstøy fra refleksjoner, som diskuteres senere i serien.

Klassifisering av TOF-systemer

TOF-systemer er primært kategorisert etter deres avstandsmåleteknikker: direkte TOF (dTOF) og indirekte TOF (iTOF), hver med distinkte maskinvare og algoritmiske tilnærminger. Serien skisserer først prinsippene deres før de fordyper seg i en komparativ analyse av deres fordeler, utfordringer og systemparametere.

Til tross for det tilsynelatende enkle prinsippet med TOF – å sende ut en lyspuls og detektere dens retur for å beregne avstand – ligger kompleksiteten i å differensiere det returnerende lyset fra omgivelseslyset. Dette løses ved å sende ut tilstrekkelig sterkt lys til å oppnå et høyt signal-til-støyforhold og velge passende bølgelengder for å minimere lysinterferens fra omgivelser. En annen tilnærming er å kode det utsendte lyset for å gjøre det gjenkjennelig ved retur, lik SOS-signaler med en lommelykt.

Serien fortsetter med å sammenligne dTOF og iTOF, diskutere deres forskjeller, fordeler og utfordringer i detalj, og videre kategoriserer TOF-systemer basert på kompleksiteten til informasjonen de gir, alt fra 1D TOF til 3D TOF.

dTOF

Direct TOF måler direkte fotonets flytid. Dens nøkkelkomponent, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), er følsom nok til å oppdage enkeltfotoner. dTOF bruker Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) for å måle tidspunktet for fotonankomster, og konstruerer et histogram for å utlede den mest sannsynlige avstanden basert på den høyeste frekvensen av en bestemt tidsforskjell.

iTOF

Indirekte TOF beregner flytid basert på faseforskjellen mellom utsendte og mottatte bølgeformer, vanligvis ved å bruke kontinuerlige bølge- eller pulsmodulasjonssignaler. iTOF kan bruke standard bildesensorarkitekturer, som måler lysintensiteten over tid.

iTOF er videre delt inn i kontinuerlig bølgemodulasjon (CW-iTOF) og pulsmodulasjon (Pulsed-iTOF). CW-iTOF måler faseforskyvningen mellom utsendte og mottatte sinusbølger, mens Pulsed-iTOF beregner faseforskyvning ved hjelp av firkantbølgesignaler.

Videre lesning:

Wikipedia. (nd). Tidspunkt for flyturen. Hentet frahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Flytid) | Vanlig teknologi for bildesensorer. Hentet frahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. februar). Introduksjon til Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Hentet frahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2. mars). Time of Flight (TOF)-sensorer: en grundig oversikt og applikasjoner. Hentet frahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Fra nettsidenhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

av forfatteren: Chao Guang

Ansvarsfraskrivelse:

Vi erklærer herved at noen av bildene som vises på nettsiden vår er samlet fra Internett og Wikipedia, med sikte på å fremme utdanning og informasjonsdeling. Vi respekterer de immaterielle rettighetene til alle skapere. Bruken av disse bildene er ikke ment for kommersiell vinning.

Hvis du mener at noe av innholdet som brukes krenker opphavsretten din, vennligst kontakt oss. Vi er mer enn villige til å ta hensiktsmessige tiltak, inkludert fjerning av bilder eller å gi riktig attribusjon, for å sikre overholdelse av lover og forskrifter om immaterielle rettigheter. Målet vårt er å opprettholde en plattform som er rik på innhold, rettferdig og respekterer andres immaterielle rettigheter.

Vennligst kontakt oss på følgende e-postadresse:sales@lumispot.cn. Vi forplikter oss til å iverksette tiltak umiddelbart etter å ha mottatt et varsel og garanterer 100 % samarbeid for å løse slike problemer.