Новости - Основной принцип и применение системы TOF (Time of Flight)

Подпишитесь на наши социальные сети, чтобы получать быстрые публикации

Цель этой серии — предоставить читателям всестороннее и прогрессивное понимание системы времени полета (TOF). Содержание содержит всесторонний обзор систем TOF, включая подробные объяснения как непрямого TOF (iTOF), так и прямого TOF (dTOF). В этих разделах подробно рассматриваются параметры системы, их преимущества и недостатки, а также различные алгоритмы. В статье также рассматриваются различные компоненты TOF-систем, такие как лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), передающие и приемные линзы, приемные датчики, такие как CIS, APD, SPAD, SiPM, и схемы драйверов, такие как ASIC.

Введение в TOF (время полета)

Основные принципы

TOF, что означает «время полета», — это метод, используемый для измерения расстояния путем расчета времени, необходимого свету для прохождения определенного расстояния в среде. Этот принцип в основном применяется в оптических сценариях TOF и относительно прост. В этом процессе используется источник света, излучающий луч света, с регистрацией времени излучения. Затем этот свет отражается от цели, улавливается приемником и фиксируется время приема. Разница этих времен, обозначаемая 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, обычно 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 действуют по схожему принципу, но используют другую среду дляизмерение расстояния.

Применение датчиков ToF

Датчики ToF универсальны и могут быть интегрированы в различные области:

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

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

Автомобильная промышленность:Включен в системы помощи водителю для адаптивного круиз-контроля и предотвращения столкновений и становится все более распространенным в новых моделях автомобилей.

Медицинская область: используется в неинвазивной визуализации и диагностике, такой как оптическая когерентная томография (ОКТ), для получения изображений тканей с высоким разрешением.

Бытовая электроника: интегрирован 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 конфиденциальности и авиации.

Архитектура системы TOF

Типичная система TOF состоит из нескольких ключевых компонентов для измерения расстояния, как описано:

· Передатчик (Тх):Сюда входит источник лазерного света, в основномВКСЭЛ, ASIC схемы драйвера для управления лазером и оптические компоненты для управления лучом, такие как коллимирующие линзы или дифракционные оптические элементы, а также фильтры.
· Приемник (Прием):Он состоит из линз и фильтров на приемной стороне, таких датчиков, как CIS, SPAD или SiPM, в зависимости от системы TOF, а также процессора сигналов изображения (ISP) для обработки больших объемов данных с чипа приемника.
·Управление питанием:Управление конюшнейКонтроль тока для VCSEL и высокого напряжения для SPAD имеет решающее значение и требует надежного управления питанием.
· Уровень программного обеспечения:Сюда входят встроенное ПО, SDK, ОС и уровень приложений.

Архитектура демонстрирует, как лазерный луч, исходящий от VCSEL и модифицированный оптическими компонентами, проходит через пространство, отражается от объекта и возвращается в приемник. Расчет интервала времени в этом процессе позволяет получить 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 позже в этой серии.

Классификация TOF-систем

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

Несмотря на, казалось бы, простой принцип TOF – испускание светового импульса и обнаружение его возвращения для расчета расстояния – сложность заключается в различении возвращающегося света от окружающего света. Эта проблема решается путем излучения 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 излучаемого света, чтобы его можно было различить по возвращении, аналогично сигналам SOS от фонарика.

В серии продолжается сравнение dTOF и iTOF, подробно обсуждаются их различия, преимущества и проблемы, а также классифицируются системы TOF в зависимости от сложности предоставляемой ими информации: от 1D TOF до 3D TOF.

dTOF

Прямой TOF напрямую измеряет время полета фотона. Его ключевой компонент, однофотонный лавинный диод (SPAD), достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать одиночные фотоны. dTOF использует коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов (TCSPC) для измерения времени прибытия фотонов, создавая гистограмму для определения наиболее вероятного расстояния на основе самой высокой частоты определенной разницы во времени.

iTOF

Косвенный TOF вычисляет время полета на основе разности фаз между излучаемыми и принимаемыми сигналами, обычно с использованием сигналов непрерывной или импульсной модуляции. iTOF может использовать стандартную архитектуру 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, а Pulsed-iTOF вычисляет фазовый сдвиг с использованием сигналов прямоугольной формы.

Дальнейшее чтение:

Википедия. (без даты). Время полета. Получено изhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Группа полупроводниковых решений Sony. (без даты). ToF (время полета) | Общая технология датчиков изображения. Получено изhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Майкрософт. (2021, 4 февраля). Знакомство с Microsoft Time Of Flight (ToF) — платформа Azure Depth. Получено изhttps://devblogs.microsoft.com/azure-глубина-платформа/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ЭСКАТЕК. (2023, 2 марта). Датчики времени пролета (TOF): подробный обзор и применение. Получено изhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-length-overview-and-applications

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

автор: Чао Гуан

Отказ от ответственности:

Настоящим мы заявляем, что некоторые изображения, представленные на нашем веб-сайте, взяты из Интернета и Википедии с целью содействия образованию и обмену информацией. Мы уважаем права интеллектуальной собственности всех авторов. Использование этих изображений не преследует цели коммерческой выгоды.

Если вы считаете, что какой-либо используемый контент нарушает ваши авторские права, свяжитесь с нами. Мы более чем готовы принять соответствующие меры, включая удаление изображений или указание правильного указания авторства, чтобы обеспечить соблюдение законов и правил об интеллектуальной собственности. Наша цель — поддерживать платформу, богатую контентом, справедливую и уважающую права интеллектуальной собственности других.

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