Новости - Основной принцип и применение системы TOF (время пролета)

Подпишитесь на наши социальные сети для получения оперативных публикаций

Цель этой серии — предоставить читателям глубокое и прогрессивное понимание системы Time of Flight (TOF). Содержание охватывает всесторонний обзор систем TOF, включая подробные объяснения как непрямого TOF (iTOF), так и прямого TOF (dTOF). Эти разделы углубляются в параметры системы, их преимущества и недостатки, а также различные алгоритмы. В статье также рассматриваются различные компоненты систем TOF, такие как лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), передающие и приемные линзы, приемные датчики, такие как CIS, APD, SPAD, SiPM, и схемы драйверов, такие как ASIC.

Введение в TOF (время пролета)

Основные принципы

TOF, сокращение от Time of Flight, — это метод измерения расстояния путем расчета времени, необходимого свету для прохождения определенного расстояния в среде. Этот принцип в основном применяется в оптических сценариях TOF и является относительно простым. Процесс включает в себя источник света, испускающий луч света, при этом время испускания регистрируется. Затем этот свет отражается от цели, улавливается приемником, и время приема регистрируется. Разница во времени, обозначаемая как t, определяет расстояние (d = скорость света (c) × t / 2).

Типы датчиков ToF

Существует два основных типа датчиков ToF: оптические и электромагнитные. Оптические датчики ToF, которые более распространены, используют световые импульсы, как правило, в инфракрасном диапазоне, для измерения расстояния. Эти импульсы испускаются датчиком, отражаются от объекта и возвращаются к датчику, где измеряется время прохождения и используется для расчета расстояния. Напротив, электромагнитные датчики ToF используют электромагнитные волны, такие как радар или лидар, для измерения расстояния. Они работают по схожему принципу, но используют другую среду дляизмерение расстояния.

Применение датчиков ToF

Датчики ToF универсальны и нашли применение в различных областях:

Робототехника:Используется для обнаружения препятствий и навигации. Например, такие роботы, как Roomba и Atlas от Boston Dynamics, используют камеры глубины ToF для картирования своего окружения и планирования движений.

Системы безопасности:Распространено в датчиках движения для обнаружения злоумышленников, включения сигнализации или активации систем камер.

Автомобильная промышленность:Встраивается в системы помощи водителю для адаптивного круиз-контроля и предотвращения столкновений, которые становятся все более распространенными в новых моделях транспортных средств.

Медицинская сфера: используется в неинвазивной визуализации и диагностике, такой как оптическая когерентная томография (ОКТ), позволяя получать изображения тканей с высоким разрешением.

Бытовая электроника: Интегрировано в смартфоны, планшеты и ноутбуки для таких функций, как распознавание лиц, биометрическая аутентификация и распознавание жестов.

Дроны:Используется для навигации, предотвращения столкновений, а также для решения проблем, связанных с конфиденциальностью и авиацией.

Архитектура системы TOF

Типичная система TOF состоит из нескольких ключевых компонентов, обеспечивающих измерение расстояния, как описано ниже:

· Передатчик (Tx):Сюда входит лазерный источник света, в основномVCSEL, схема драйвера ASIC для управления лазером и оптические компоненты для управления лучом, такие как коллимирующие линзы или дифракционные оптические элементы, а также фильтры.
· Приемник (Rx):Он состоит из линз и фильтров на приемной стороне, датчиков, таких как CIS, SPAD или SiPM в зависимости от системы TOF, а также процессора сигналов изображений (ISP) для обработки больших объемов данных с чипа приемника.
·Управление питанием:Управление стабильнымРешающее значение имеет управление током для VCSEL и высоким напряжением для SPAD, требующее надежного управления питанием.
· Программный уровень:Сюда входит прошивка, SDK, ОС и прикладной уровень.

Архитектура демонстрирует, как лазерный луч, исходящий из VCSEL и измененный оптическими компонентами, проходит через пространство, отражается от объекта и возвращается к приемнику. Расчет покадровой съемки в этом процессе выявляет информацию о расстоянии или глубине. Однако эта архитектура не охватывает пути шума, такие как шум, вызванный солнечным светом, или многолучевой шум от отражений, которые обсуждаются далее в серии.

Классификация систем TOF

Системы TOF в первую очередь классифицируются по их методам измерения расстояния: прямой TOF (dTOF) и косвенный TOF (iTOF), каждый из которых имеет различные аппаратные и алгоритмические подходы. В серии сначала излагаются их принципы, а затем углубляется в сравнительный анализ их преимуществ, проблем и параметров системы.

Несмотря на кажущуюся простоту принципа TOF — испускание светового импульса и обнаружение его возвращения для расчета расстояния — сложность заключается в дифференциации возвращающегося света от окружающего света. Это решается путем испускания достаточно яркого света для достижения высокого отношения сигнал/шум и выбора соответствующих длин волн для минимизации помех от окружающего света. Другой подход заключается в кодировании испускаемого света, чтобы сделать его различимым по возвращении, подобно сигналам SOS с помощью фонарика.

В серии статей сравниваются dTOF и iTOF, подробно обсуждаются их различия, преимущества и проблемы, а также приводится дополнительная классификация систем TOF на основе сложности предоставляемой ими информации: от 1D TOF до 3D TOF.

дТОФ

Direct TOF напрямую измеряет время полета фотона. Его ключевой компонент, однофотонный лавинный диод (SPAD), достаточно чувствителен для обнаружения отдельных фотонов. dTOF использует подсчет отдельных фотонов по времени (TCSPC) для измерения времени прибытия фотонов, строя гистограмму для определения наиболее вероятного расстояния на основе самой высокой частоты определенной разницы во времени.

iTOF

Непрямой TOF вычисляет время полета на основе разности фаз между излучаемыми и принимаемыми сигналами, обычно используя сигналы непрерывной волны или импульсной модуляции. iTOF может использовать стандартные архитектуры датчиков изображения, измеряя интенсивность света с течением времени.

iTOF далее подразделяется на непрерывную волновую модуляцию (CW-iTOF) и импульсную модуляцию (Pulsed-iTOF). CW-iTOF измеряет фазовый сдвиг между излучаемыми и принимаемыми синусоидальными волнами, в то время как Pulsed-iTOF вычисляет фазовый сдвиг с использованием прямоугольных волновых сигналов.

Дальнейшее чтение:

Википедия. (nd). Время полета. Получено изhttps://en.wikipedia.org/wiki/Время_полета
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (время пролета) | Общая технология датчиков изображения. Получено сhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 февраля). Введение в Microsoft Time Of Flight (ToF) — платформа Azure Depth. Получено изhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 марта 2023 г.). Датчики времени пролета (TOF): подробный обзор и применение. Получено изhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

С веб-страницыhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

автор: Чао Гуан

Отказ от ответственности:

Настоящим мы заявляем, что некоторые из изображений, представленных на нашем сайте, собраны из Интернета и Википедии с целью содействия образованию и обмену информацией. Мы уважаем права интеллектуальной собственности всех создателей. Использование этих изображений не предназначено для коммерческой выгоды.

Если вы считаете, что какой-либо из использованных материалов нарушает ваши авторские права, свяжитесь с нами. Мы более чем готовы принять соответствующие меры, включая удаление изображений или предоставление надлежащей атрибуции, чтобы обеспечить соблюдение законов и правил в области интеллектуальной собственности. Наша цель — поддерживать платформу, богатую контентом, честную и уважающую права интеллектуальной собственности других лиц.

Пожалуйста, свяжитесь с нами по следующему адресу электронной почты:sales@lumispot.cn. Мы обязуемся немедленно принять меры при получении любого уведомления и гарантируем 100% сотрудничество в решении любых подобных проблем.