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 avsnittene fordyper seg i systemparametere, deres fordeler og ulemper, og ulike algoritmer. Artikkelen utforsker også de ulike komponentene i TOF-systemer, som Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL-er), sende- og mottakerlinser, mottakersensorer som CIS, APD, SPAD, SiPM og driverkretser som ASIC-er.
Introduksjon til TOF (Flytid)
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 tilbakelegge en viss avstand i et medium. Dette prinsippet brukes primært i optiske TOF-scenarier og er relativt enkelt. Prosessen innebærer at en lyskilde sender ut en lysstråle, og tidspunktet for utsendelsen registreres. Dette lyset reflekteres deretter fra et mål, fanges opp av en mottaker, og mottakstiden noteres. Forskjellen i disse tidene, betegnet som t, bestemmer avstanden (d = lysets hastighet (c) × t / 2).
Typer ToF-sensorer
Det finnes to hovedtyper ToF-sensorer: optiske og elektromagnetiske. Optiske ToF-sensorer, som er mer vanlige, bruker lyspulser, vanligvis i det infrarøde området, for avstandsmåling. Disse pulsene sendes ut fra sensoren, reflekteres fra et objekt og returnerer til sensoren, hvor reisetiden måles og brukes til å beregne avstand. I motsetning til dette bruker elektromagnetiske ToF-sensorer elektromagnetiske bølger, som radar eller lidar, for å måle avstand. De fungerer etter 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 navigasjon. For eksempel bruker roboter som Roomba og Boston Dynamics' Atlas ToF-dybdekameraer for å kartlegge omgivelsene og planlegge bevegelser.
Sikkerhetssystemer:Vanlige i bevegelsessensorer for å oppdage inntrengere, utløse alarmer eller aktivere kamerasystemer.
Bilindustrien:Innebygd i førerassistentsystemer for adaptiv cruisekontroll og kollisjonsunngåelse, og blir stadig mer utbredt i nye bilmodeller.
Medisinsk feltBrukes i ikke-invasiv avbildning og diagnostikk, som optisk koherenstomografi (OCT), og produserer vevsbilder med høy oppløsning.
ForbrukerelektronikkIntegrert i smarttelefoner, nettbrett og bærbare datamaskiner for funksjoner som ansiktsgjenkjenning, biometrisk autentisering og bevegelsesgjenkjenning.
Droner:Brukes til navigasjon, kollisjonsforebygging og for å håndtere personvern og luftfartshensyn.
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 strålekontroll 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 å behandle store mengder data fra mottakerbrikken.
·Strømstyring:Administrerende stabilStrømkontroll for VCSEL-er og høyspenning for SPAD-er er avgjørende, og krever robust strømstyring.
· Programvarelag:Dette inkluderer fastvare, SDK, operativsystem og applikasjonslag.
Arkitekturen demonstrerer hvordan en laserstråle, som stammer fra VCSEL-en og er modifisert av optiske komponenter, beveger seg gjennom rommet, reflekteres fra et objekt og returnerer til mottakeren. Tidsforløpsberegningen i denne prosessen avslører avstands- eller dybdeinformasjon. Denne arkitekturen dekker imidlertid ikke støybaner, som sollysindusert støy eller flerveisstøy fra refleksjoner, som diskuteres senere i serien.
Klassifisering av TOF-systemer
TOF-systemer kategoriseres primært etter avstandsmålingsteknikker: direkte TOF (dTOF) og indirekte TOF (iTOF), hver med distinkte maskinvare- og algoritmiske tilnærminger. Serien skisserer først prinsippene deres før den fordyper seg i en sammenlignende analyse av fordelene, utfordringene og systemparameterne.
Til tross for det tilsynelatende enkle prinsippet bak 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-støy-forhold og velge passende bølgelengder for å minimere interferens fra omgivelseslyset. En annen tilnærming er å kode det utsendte lyset for å gjøre det skillebart ved retur, på samme måte som SOS-signaler med en lommelykt.
Serien fortsetter med å sammenligne dTOF og iTOF, diskuterer forskjellene, fordelene og utfordringene deres i detalj, og kategoriserer TOF-systemer videre basert på kompleksiteten i informasjonen de gir, alt fra 1D TOF til 3D TOF.
dTOF
Direkte TOF måler direkte fotonets flytid. Hovedkomponenten, 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 bruk av kontinuerlige bølge- eller pulsmodulasjonssignaler. iTOF kan bruke standard bildesensorarkitekturer, og måle lysintensitet over tid.
iTOF er videre delt inn i kontinuerlig bølgemodulasjon (CW-iTOF) og pulsmodulasjon (Pulsed-iTOF). CW-iTOF måler faseforskyvningen mellom utsendte og mottatte sinusformede bølger, mens Pulsed-iTOF beregner faseforskyvning ved hjelp av firkantbølgesignaler.
Videre lesning:
- Wikipedia. (nd). Flytidspunkt. Hentet frahttps://en.wikipedia.org/wiki/Flytidspunkt
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Vanlig teknologi for bildesensorer. Hentet frahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4. februar 2021). 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. (2. mars 2023). Time of Flight (TOF)-sensorer: En grundig oversikt og bruksområder. 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 nettstedet vårt er samlet fra Internett og Wikipedia, med sikte på å fremme utdanning og informasjonsdeling. Vi respekterer alle skaperes immaterielle rettigheter. Bruken av disse bildene er ikke ment for kommersiell vinning.
Hvis du mener at noe av innholdet som brukes bryter med opphavsretten din, kan du kontakte oss. Vi er mer enn villige til å iverksette passende tiltak, inkludert å fjerne bilder eller gi korrekt kildehenvisning, for å sikre at vi overholder lover og forskrifter om immaterielle rettigheter. Målet vårt er å opprettholde en plattform som er innholdsrik, rettferdig og respekterer andres immaterielle rettigheter.
Ta kontakt med oss på følgende e-postadresse:sales@lumispot.cnVi forplikter oss til å iverksette tiltak umiddelbart etter mottak av varsel og garanterer 100 % samarbeid for å løse slike problemer.
Publisert: 18. desember 2023