Nyheder - Grundlæggende princip og anvendelse af TOF(Time of Flight) System

Abonner på vores sociale medier for et hurtigt indlæg

Denne serie har til formål at give læserne en dybdegående og progressiv forståelse af Time of Flight (TOF) systemet. Indholdet dækker en omfattende oversigt over TOF-systemer, herunder detaljerede forklaringer af både indirekte TOF (iTOF) og direkte TOF (dTOF). Disse sektioner dykker ned i systemparametre, deres fordele og ulemper og 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 (Time of Flight)

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 rejse en bestemt afstand i et medie. Dette princip anvendes primært i optiske TOF-scenarier og er relativt ligetil. Processen involverer en lyskilde, der udsender en lysstråle, med tidspunktet for emissionen registreret. Dette lys reflekteres derefter fra et mål, opfanges af en modtager, og tidspunktet for modtagelsen 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 af ToF-sensorer: optiske og elektromagnetiske. Optiske ToF-sensorer, som er mere almindelige, udnytter lysimpulser, typisk i det infrarøde område, til afstandsmåling. Disse impulser udsendes fra sensoren, reflekteres af en genstand og vender tilbage til sensoren, hvor rejsetiden måles og bruges til at beregne afstand. I modsætning hertil bruger elektromagnetiske ToF-sensorer elektromagnetiske bølger, som radar eller lidar, til at måle afstand. De opererer efter et lignende princip, men bruger et andet medie tilafstandsmåling.

Anvendelser af ToF-sensorer

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

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

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

Bilindustrien:Indbygget i førerassistentsystemer til adaptiv fartpilot og kollisionsundgåelse, bliver stadig mere udbredt i nye bilmodeller.

Medicinsk felt: Ansat i ikke-invasiv billeddannelse og diagnostik, såsom optisk kohærenstomografi (OCT), der producerer vævsbilleder i høj opløsning.

Forbrugerelektronik: Integreret i smartphones, tablets og bærbare computere for funktioner som ansigtsgenkendelse, biometrisk autentificering og gestusgenkendelse.

Droner:Anvendes til navigation, undgåelse af kollisioner og til at håndtere privatlivs- og luftfartsproblemer

TOF systemarkitektur

Et typisk TOF-system består af flere nøglekomponenter for at opnå afstandsmålingen som beskrevet:

· Sender (Tx):Dette inkluderer en laserlyskilde, hovedsagelig 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 den modtagende ende, sensorer som CIS, SPAD eller SiPM afhængigt af TOF-systemet og en billedsignalprocessor (ISP) til behandling af store mængder data fra modtagerchippen.
·Strømstyring:Styre stabilstrømstyring for VCSEL'er og højspænding til SPAD'er er afgørende, hvilket kræver robust strømstyring.
· Softwarelag:Dette inkluderer firmware, SDK, OS og applikationslag.

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

Klassificering af TOF-systemer

TOF-systemer er primært kategoriseret efter deres afstandsmåleteknikker: direkte TOF (dTOF) og indirekte TOF (iTOF), hver med forskellige hardware- og algoritmiske tilgange. Serien skitserer indledningsvis deres principper, før de dykker ned i en komparativ analyse af deres fordele, udfordringer og systemparametre.

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

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

dTOF

Direct 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 foton-ankomster og konstruerer et histogram til at udlede den mest sandsynlige afstand baseret på den højeste frekvens af en bestemt tidsforskel.

iTOF

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

iTOF er yderligere opdelt i kontinuerlig bølgemodulation (CW-iTOF) og pulsmodulation (Pulsed-iTOF). CW-iTOF måler faseforskydningen mellem udsendte og modtagne sinusbølger, mens Pulsed-iTOF beregner faseforskydning ved hjælp af firkantbølgesignaler.

Yderligere læsning:

Wikipedia. (nd). Flyvetidspunkt. Hentet frahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (flyvetidspunkt) | Fælles teknologi for billedsensorer. Hentet frahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4. februar). 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. (2023, 2. marts). Time of Flight (TOF)-sensorer: en dybdegående oversigt og applikationer. 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 vinding.

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 at fjerne billeder eller levere korrekt tilskrivning, for at sikre overholdelse af love og regler om intellektuel ejendom. Vores mål er at opretholde en platform, der er rig på indhold, fair og respekterer andres intellektuelle ejendomsrettigheder.

Kontakt os venligst på følgende e-mailadresse:sales@lumispot.cn. Vi forpligter os til at træffe øjeblikkelige foranstaltninger efter at have modtaget en meddelelse og garanterer 100 % samarbejde med at løse sådanne problemer.