Nyheter - Grundläggande princip och tillämpning av TOF(Time of Flight) System

Prenumerera på våra sociala medier för ett snabbt inlägg

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

Introduktion till TOF (Time of Flight)

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 okomplicerad. Processen involverar en ljuskälla som avger en ljusstråle, med tiden för emissionen registrerad. Detta ljus reflekteras sedan från ett mål, fångas upp av en mottagare och tidpunkten för mottagning noteras. Skillnaden i dessa tider, betecknade som t, bestämmer avståndet (d = ljusets hastighet (c) × t / 2).

Typer av ToF-sensorer

Det finns två primära typer av ToF-sensorer: optiska och elektromagnetiska. Optiska ToF-sensorer, som är vanligare, använder ljuspulser, vanligtvis i det infraröda området, för avståndsmätning. Dessa pulser sänds ut från sensorn, reflekteras från ett föremål och går tillbaka 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 arbetar på en liknande princip men använder ett annat medium föravståndsmätning.

Tillämpningar av ToF-sensorer

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

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

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

Fordonsindustrin:Inbyggd i förarassistanssystem för adaptiv farthållare och kollisionsundvikande, blir allt vanligare i nya fordonsmodeller.

Medicinskt område: Anställd i icke-invasiv bildbehandling och diagnostik, såsom optisk koherenstomografi (OCT), producerar högupplösta vävnadsbilder.

Konsumentelektronik: Integrerad i smartphones, surfplattor och bärbara datorer för funktioner som ansiktsigenkänning, biometrisk autentisering och gestigenkänning.

Drönare:Används för navigering, undvikande av kollisioner och för att hantera integritets- och luftfartsproblem

TOF-systemarkitektur

Ett typiskt TOF-system består av flera nyckelkomponenter för att uppnå avståndsmätningen enligt beskrivningen:

· Sändare (Tx):Detta inkluderar en laserljuskälla, främst enVCSEL, en drivkrets ASIC 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 mottagningsänden, sensorer som CIS, SPAD eller SiPM beroende på TOF-systemet, och en bildsignalprocessor (ISP) för bearbetning av stora mängder data från mottagarchippet.
·Strömhantering:Hantera stabilströmkontroll för VCSEL:er och högspänning för SPAD:er är avgörande, vilket kräver robust strömhantering.
· Programvarulager:Detta inkluderar firmware, SDK, OS och applikationslager.

Arkitekturen visar hur en laserstråle, som härrör från VCSEL och modifierad av optiska komponenter, färdas genom rymden, reflekteras från ett objekt och återvänder till mottagaren. Tidsförloppsberäkningen i denna process avslöjar information om avstånd eller djup. Denna arkitektur täcker dock inte brusvägar, såsom solljusinducerat brus eller flervägsbrus från reflektioner, som diskuteras senare i serien.

Klassificering av TOF-system

TOF-system kategoriseras främst efter deras avståndsmätningstekniker: direkt TOF (dTOF) och indirekt TOF (iTOF), var och en med distinkt hårdvara och algoritmiska tillvägagångssätt. Serien beskriver initialt deras principer innan de går in i en jämförande analys av deras fördelar, utmaningar och systemparametrar.

Trots den till synes enkla principen med TOF – att avge en ljuspuls och detektera dess återgång för att beräkna avstånd – ligger komplexiteten i att skilja det återkommande ljuset från omgivande ljus. Detta åtgärdas genom att sända ut tillräckligt starkt ljus för att uppnå ett högt signal-brusförhållande och välja lämpliga våglängder för att minimera miljöljusstörningar. Ett annat tillvägagångssätt är att koda det utsända 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 ytterligare kategorisera TOF-system baserat på komplexiteten i informationen de tillhandahåller, allt från 1D TOF till 3D TOF.

dTOF

Direct TOF mäter direkt fotonens flygtid. Dess nyckelkomponent, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), är tillräckligt känslig för att upptäcka enstaka 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 flygtiden baserat på fasskillnaden mellan emitterade och mottagna vågformer, vanligtvis med hjälp av kontinuerliga våg- eller pulsmodulationssignaler. iTOF kan använda standardbildsensorarkitekturer, som mäter ljusintensiteten över tid.

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

Ytterligare läsning:

Wikipedia. (nd). Flygtid. Hämtad frånhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Vanlig teknik för bildsensorer. Hämtad frånhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 februari). 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. (2023, 2 mars). 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 förklarar härmed att en del av bilderna som visas på vår webbplats är insamlade från Internet och Wikipedia, i syfte att främja utbildning och informationsutbyte. Vi respekterar alla kreatörers 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 tillhandahålla korrekt attribution, för att säkerställa efterlevnad av lagar och regler för immateriella rättigheter. Vårt mål är att upprätthålla en plattform som är rik på innehåll, rättvis och respekterar andras immateriella rättigheter.

Vänligen kontakta oss på följande e-postadress:sales@lumispot.cn. Vi förbinder oss att vidta omedelbara åtgärder vid mottagande av ett meddelande och garanterar 100 % samarbete för att lösa sådana problem.