Nyheter - Grundprincip och tillämpning av TOF-systemet (Time of Flight)

Prenumerera på våra sociala medier för snabba inlägg

Denna serie syftar till att ge läsarna en djupgående och progressiv förståelse av Time of Flight (TOF)-systemet. Innehållet täcker en omfattande översikt över TOF-system, inklusive detaljerade förklaringar av både indirekt TOF (iTOF) och direkt TOF (dTOF). Dessa avsnitt fördjupar sig i systemparametrar, deras fördelar och nackdelar, samt olika algoritmer. Artikeln utforskar också de olika komponenterna i TOF-system, såsom Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL), sändnings- och mottagningslinser, mottagningssensorer som CIS, APD, SPAD, SiPM och drivkretsar som ASIC.

Introduktion till TOF (Flygtid)

Grundläggande principer

TOF, som står för Time of Flight, är en metod som används för att mäta avstånd genom att beräkna den tid det tar för ljus att färdas en viss sträcka i ett medium. Denna princip tillämpas främst i optiska TOF-scenarier och är relativt enkel. Processen innebär att en ljuskälla avger en ljusstråle, vars tidpunkt för utsändningen registreras. Detta ljus reflekteras sedan från ett mål, fångas upp av en mottagare och mottagningstiden noteras. Skillnaden i dessa tider, betecknad som t, bestämmer avståndet (d = ljusets hastighet (c) × t / 2).

Typer av ToF-sensorer

Det finns två huvudtyper av ToF-sensorer: optiska och elektromagnetiska. Optiska ToF-sensorer, som är vanligare, använder ljuspulser, vanligtvis inom det infraröda området, för avståndsmätning. Dessa pulser avges från sensorn, reflekteras från ett objekt och återvänder till sensorn, där restiden mäts och används för att beräkna avstånd. Däremot använder elektromagnetiska ToF-sensorer elektromagnetiska vågor, som radar eller lidar, för att mäta avstånd. De fungerar enligt en liknande princip men använder ett annat medium för...avståndsmätning.

Tillämpningar av ToF-sensorer

ToF-sensorer är mångsidiga och har integrerats i olika områden:

Robotik:Används för hinderdetektering och navigering. Till exempel använder robotar som Roomba och Boston Dynamics Atlas ToF-djupkameror för att kartlägga sin omgivning och planera rörelser.

Säkerhetssystem:Vanliga i rörelsesensorer för att upptäcka inkräktare, utlösa larm eller aktivera kamerasystem.

Bilindustrin:Integrerat i förarstödsystem för adaptiv farthållare och kollisionsundvikning, och blir allt vanligare i nya fordonsmodeller.

Medicinskt områdeAnvänds inom icke-invasiv avbildning och diagnostik, såsom optisk koherenstomografi (OCT), för att producera högupplösta vävnadsbilder.

KonsumentelektronikIntegrerad i smartphones, surfplattor och bärbara datorer för funktioner som ansiktsigenkänning, biometrisk autentisering och gestigenkänning.

Drönare:Används för navigering, kollisionsundvikning och för att hantera integritets- och flygrelaterade problem

TOF-systemarkitektur

Ett typiskt TOF-system består av flera nyckelkomponenter för att uppnå den avståndsmätning som beskrivs:

· Sändare (Tx):Detta inkluderar en laserljuskälla, huvudsakligen enVCSEL, en ASIC-drivkrets för att driva lasern, och optiska komponenter för strålstyrning såsom kollimerande linser eller diffraktiva optiska element, och filter.
· Mottagare (Rx):Detta består av linser och filter i mottagaränden, sensorer som CIS, SPAD eller SiPM beroende på TOF-systemet, och en bildsignalprocessor (ISP) för att bearbeta stora mängder data från mottagarchippet.
·Strömhantering:Hantera stabilStrömkontroll för VCSEL:er och högspänning för SPAD:er är avgörande, vilket kräver robust effekthantering.
· Programvarulager:Detta inkluderar firmware, SDK, operativsystem och applikationslager.

Arkitekturen visar hur en laserstråle, som kommer från VCSEL och modifieras av optiska komponenter, färdas genom rymden, reflekteras från ett objekt och återvänder till mottagaren. Tidsförloppsberäkningen i denna process avslöjar avstånds- eller djupinformation. Denna arkitektur täcker dock inte brusbanor, såsom solljusinducerat brus eller flervägsbrus från reflektioner, vilka diskuteras senare i serien.

Klassificering av TOF-system

TOF-system kategoriseras huvudsakligen efter sina avståndsmätningstekniker: direkt TOF (dTOF) och indirekt TOF (iTOF), var och en med distinkta hårdvaru- och algoritmiska metoder. Serien beskriver inledningsvis deras principer innan den fördjupar sig i en jämförande analys av deras fördelar, utmaningar och systemparametrar.

Trots den till synes enkla principen bakom TOF – att avge en ljuspuls och detektera dess återkomst för att beräkna avstånd – ligger komplexiteten i att skilja det återvändande ljuset från omgivande ljus. Detta åtgärdas genom att avge tillräckligt starkt ljus för att uppnå ett högt signal-brusförhållande och välja lämpliga våglängder för att minimera störningar från omgivningsljus. Ett annat tillvägagångssätt är att koda det avgivna ljuset för att göra det urskiljbart vid återkomst, liknande SOS-signaler med en ficklampa.

Serien fortsätter med att jämföra dTOF och iTOF, diskutera deras skillnader, fördelar och utmaningar i detalj, och kategoriserar ytterligare TOF-system baserat på komplexiteten i den information de tillhandahåller, allt från 1D TOF till 3D TOF.

dTOF

Direkt TOF mäter direkt fotonens flygtid. Dess nyckelkomponent, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), är tillräckligt känslig för att detektera enskilda fotoner. dTOF använder Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) för att mäta tiden för fotonernas ankomster och konstruerar ett histogram för att härleda det mest sannolika avståndet baserat på den högsta frekvensen av en viss tidsskillnad.

iTOF

Indirekt TOF beräknar flygtid baserat på fasskillnaden mellan emitterade och mottagna vågformer, vanligtvis med hjälp av kontinuerliga våg- eller pulsmoduleringssignaler. iTOF kan använda standardbildsensorarkitekturer och mäta ljusintensitet över tid.

iTOF är vidare indelad i kontinuerlig vågmodulering (CW-iTOF) och pulsmodulering (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mäter fasförskjutningen mellan emitterade och mottagna sinusvågor, medan Pulsed-iTOF beräknar fasförskjutningen med hjälp av fyrkantsvågssignaler.

Vidare läsning:

Wikipedia. (nd). Flygtid. Hämtad frånhttps://sv.wikipedia.org/wiki/Flygtid
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Vanlig teknik för bildsensorer. Hämtad frånhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 februari 2021). Introduktion till Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Hämtad frånhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 mars 2023). Time of Flight (TOF)-sensorer: En djupgående översikt och tillämpningar. Hämtad frånhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Från webbsidanhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

av författaren: Chao Guang

Ansvarsfriskrivning:

Vi försäkrar härmed att vissa av bilderna som visas på vår webbplats är hämtade från internet och Wikipedia, i syfte att främja utbildning och informationsdelning. Vi respekterar alla skapares immateriella rättigheter. Användningen av dessa bilder är inte avsedd för kommersiell vinning.

Om du anser att något av innehållet som används bryter mot din upphovsrätt, vänligen kontakta oss. Vi är mer än villiga att vidta lämpliga åtgärder, inklusive att ta bort bilder eller ange korrekt tillskrivning, för att säkerställa att vi följer lagar och förordningar om immateriella rättigheter. Vårt mål är att upprätthålla en plattform som är innehållsrik, rättvis och respekterar andras immateriella rättigheter.

Vänligen kontakta oss på följande e-postadress:sales@lumispot.cnVi åtar oss att omedelbart vidta åtgärder när vi mottagit en anmälan och garanterar 100 % samarbete för att lösa sådana problem.