Nyheder - Grundprincip og anvendelse af TOF (Time of Flight)-systemet

Abonner på vores sociale medier for hurtige opslag

Denne serie har til formål at give læserne en dybdegående og progressiv forståelse af Time of Flight (TOF)-systemet. Indholdet dækker et omfattende overblik over TOF-systemer, herunder detaljerede forklaringer af både indirekte TOF (iTOF) og direkte TOF (dTOF). Disse afsnit dykker ned i systemparametre, deres fordele og ulemper samt forskellige algoritmer. Artiklen udforsker også de forskellige komponenter i TOF-systemer, såsom Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL'er), transmissions- og modtagelinser, modtagesensorer som CIS, APD, SPAD, SiPM og driverkredsløb som ASIC'er.

Introduktion til TOF (Flyvetid)

Grundlæggende principper

TOF, der står for Time of Flight, er en metode, der bruges til at måle afstand ved at beregne den tid, det tager for lys at tilbagelægge en bestemt afstand i et medium. Dette princip anvendes primært i optiske TOF-scenarier og er relativt ligetil. Processen involverer en lyskilde, der udsender en lysstråle, og emissionstidspunktet registreres. Dette lys reflekteres derefter fra et mål, opfanges af en modtager, og modtagelsestidspunktet noteres. Forskellen i disse tider, betegnet som t, bestemmer afstanden (d = lysets hastighed (c) × t / 2).

Typer af ToF-sensorer

Der er to primære typer ToF-sensorer: optiske og elektromagnetiske. Optiske ToF-sensorer, som er mere almindelige, bruger lyspulser, typisk i det infrarøde område, til afstandsmåling. Disse pulser udsendes fra sensoren, reflekteres fra et objekt og vender tilbage til sensoren, hvor rejsetiden måles og bruges til at beregne afstand. I modsætning hertil bruger elektromagnetiske ToF-sensorer elektromagnetiske bølger, såsom radar eller lidar, til at måle afstand. De fungerer efter et lignende princip, men bruger et andet medium til...afstandsmåling.

Anvendelser af ToF-sensorer

ToF-sensorer er alsidige og er blevet integreret i forskellige områder:

Robotik:Bruges til forhindringsdetektering og navigation. For eksempel bruger robotter som Roomba og Boston Dynamics' Atlas ToF-dybdekameraer til at kortlægge deres omgivelser og planlægge bevægelser.

Sikkerhedssystemer:Almindelige i bevægelsessensorer til at detektere ubudne gæster, udløse alarmer eller aktivere kamerasystemer.

Bilindustrien:Integreret i førerassistentsystemer til adaptiv fartpilot og kollisionsforebyggelse og bliver stadig mere udbredt i nye køretøjsmodeller.

Medicinsk feltAnvendes i ikke-invasiv billeddannelse og diagnostik, såsom optisk kohærenstomografi (OCT), til produktion af vævsbilleder med høj opløsning.

ForbrugerelektronikIntegreret i smartphones, tablets og bærbare computere til funktioner som ansigtsgenkendelse, biometrisk godkendelse og bevægelsesgenkendelse.

Droner:Anvendes til navigation, kollisionsforebyggelse og til at håndtere privatlivets fred og luftfartshensyn

TOF-systemarkitektur

Et typisk TOF-system består af flere nøglekomponenter for at opnå den beskrevne afstandsmåling:

· Sender (Tx):Dette omfatter en laserlyskilde, primært enVCSEL, et driverkredsløb ASIC til at drive laseren, og optiske komponenter til strålestyring såsom kollimerende linser eller diffraktive optiske elementer og filtre.
· Modtager (Rx):Dette består af linser og filtre i modtageren, sensorer som CIS, SPAD eller SiPM afhængigt af TOF-systemet og en billedsignalprocessor (ISP) til behandling af store mængder data fra modtagerchippen.
·Strømstyring:Administrerende stabilStrømstyring for VCSEL'er og højspænding for SPAD'er er afgørende og kræver robust strømstyring.
· Softwarelag:Dette inkluderer firmware, SDK, operativsystem og applikationslag.

Arkitekturen demonstrerer, hvordan en laserstråle, der stammer fra VCSEL'en og er modificeret af optiske komponenter, bevæger sig gennem rummet, reflekteres fra et objekt og vender tilbage til modtageren. Time-lapse-beregningen i denne proces afslører afstands- eller dybdeinformation. Denne arkitektur dækker dog ikke støjbaner, såsom sollysinduceret støj eller flervejsstøj fra refleksioner, som diskuteres senere i serien.

Klassificering af TOF-systemer

TOF-systemer kategoriseres primært efter deres afstandsmålingsteknikker: direkte TOF (dTOF) og indirekte TOF (iTOF), hver med distinkte hardware- og algoritmiske tilgange. Serien skitserer først deres principper, før den dykker ned i en sammenlignende analyse af deres fordele, udfordringer og systemparametre.

Trods det tilsyneladende simple princip bag TOF – at udsende en lyspuls og detektere dens tilbagevenden for at beregne afstand – ligger kompleksiteten i at differentiere det tilbagevendende lys fra omgivende lys. Dette løses ved at udsende tilstrækkeligt klart lys til at opnå et højt signal-støj-forhold og vælge passende bølgelængder for at minimere interferens fra omgivende lys. En anden tilgang er at kode det udsendte lys for at gøre det skelneligt ved tilbagevenden, svarende til SOS-signaler med en lommelygte.

Serien fortsætter med at sammenligne dTOF og iTOF, diskuterer deres forskelle, fordele og udfordringer i detaljer, og kategoriserer yderligere TOF-systemer baseret på kompleksiteten af den information, de leverer, lige fra 1D TOF til 3D TOF.

dTOF

Direkte TOF måler direkte fotonens flyvetid. Dens nøglekomponent, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), er følsom nok til at detektere enkelte fotoner. dTOF anvender Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) til at måle tidspunktet for fotonankomster og konstruerer et histogram for at udlede den mest sandsynlige afstand baseret på den højeste frekvens af en bestemt tidsforskel.

iTOF

Indirekte TOF beregner flyvetiden baseret på faseforskellen mellem udsendte og modtagne bølgeformer, typisk ved hjælp af kontinuerlige bølge- eller pulsmodulationssignaler. iTOF kan bruge standard billedsensorarkitekturer, der måler lysintensitet over tid.

iTOF er yderligere opdelt i kontinuerlig bølgemodulation (CW-iTOF) og pulsmodulation (Pulsed-iTOF). CW-iTOF måler faseskiftet mellem udsendte og modtagede sinusformede bølger, mens Pulsed-iTOF beregner faseskiftet ved hjælp af firkantbølgesignaler.

Yderligere læsning:

Wikipedia. (nd). Flyvetid. Hentet frahttps://en.wikipedia.org/wiki/Flyvningstid
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Fælles teknologi for billedsensorer. Hentet frahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. februar 2021). Introduktion 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. marts 2023). Time of Flight (TOF) sensorer: En dybdegående oversigt og anvendelser. Hentet frahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

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

af forfatteren: Chao Guang

Ansvarsfraskrivelse:

Vi erklærer hermed, at nogle af de billeder, der vises på vores hjemmeside, er indsamlet fra internettet og Wikipedia med det formål at fremme uddannelse og informationsdeling. Vi respekterer alle skaberes intellektuelle ejendomsrettigheder. Brugen af disse billeder er ikke beregnet til kommerciel gevinst.

Hvis du mener, at noget af det anvendte indhold krænker din ophavsret, bedes du kontakte os. Vi er mere end villige til at træffe passende foranstaltninger, herunder fjernelse af billeder eller korrekt kildeangivelse, for at sikre overholdelse af love og regler om intellektuel ejendomsret. Vores mål er at opretholde en platform, der er rig på indhold, retfærdig og respekterer andres intellektuelle ejendomsrettigheder.

Kontakt os venligst på følgende e-mailadresse:sales@lumispot.cnVi forpligter os til at handle øjeblikkeligt, når vi modtager enhver underretning, og garanterer 100% samarbejde for at løse sådanne problemer.