Новости — Основной принцип и применение системы TOF (времяпролётного зондирования)

Подпишитесь на наши социальные сети для получения быстрых публикаций

Цель этой серии статей – предоставить читателям глубокое и прогрессивное понимание системы времени пролёта (TOF). В ней представлен всесторонний обзор систем TOF, включая подробное описание как непрямого (iTOF), так и прямого (dTOF) TOF. В этих разделах подробно рассматриваются параметры систем, их преимущества и недостатки, а также различные алгоритмы. В статье также рассматриваются различные компоненты систем TOF, такие как лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL), передающие и приёмные линзы, приёмные датчики, такие как CIS, APD, SPAD, SiPM, и схемы управления, такие как ASIC.

Введение в TOF (время пролета)

Основные принципы

TOF (время пролёта) — это метод измерения расстояния путём расчёта времени, необходимого свету для прохождения определённого расстояния в среде. Этот принцип применяется в основном в оптических TOF-методах и относительно прост. Процесс включает в себя излучение источником света луча света с регистрацией времени излучения. Затем этот свет отражается от цели, улавливается приёмником, и фиксируется время приёма. Разница этих времен, 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, более распространённые, 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 импульса, используемое для расчёта расстояния. В отличие от них, электромагнитные датчики ToF используют для измерения расстояния электромагнитные волны, как, например, радары или лидары. Они работают по схожему принципу, но используют другую среду для измерения.измерение 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 картографирования окружающей среды и планирования перемещений.

Системы безопасности:Распространены 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 и становится все более распространенным в новых моделях транспортных средств.

Медицинская сфера: используется в неинвазивной визуализации и диагностике, например, в оптической когерентной томографии (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 выше:

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

Архитектура демонстрирует, как лазерный луч, исходящий из VCSEL и модифицированный оптическими компонентами, проходит через пространство, отражается от объекта и возвращается в приёмник. Расчёт времени в этом процессе позволяет получить информацию о расстоянии или глубине. Однако эта архитектура не учитывает шумовые пути, такие как шум, вызванный солнечным светом, или многолучевой шум от отражений, которые обсуждаются далее в этой серии.

Классификация TOF-систем

Системы TOF классифицируются в основном по методам измерения расстояния: системы с прямым TOF (dTOF) и системы с косвенным TOF (iTOF), каждая из которых отличается своим аппаратным и алгоритмическим подходом. В серии сначала описываются их принципы, а затем проводится сравнительный анализ их преимуществ, сложностей и параметров систем.

Несмотря на кажущуюся простоту принципа TOF — излучение светового импульса и его регистрация для расчёта расстояния — сложность заключается в различении возвращающегося света от окружающего освещения. Это достигается за счёт излучения достаточно яркого света для достижения высокого отношения сигнал/шум и выбора подходящих длин волн для минимизации помех от окружающего света. Другой подход заключается в кодировании излучаемого света, чтобы сделать его различимым после возвращения, подобно сигналам SOS, подаваемым фонариком.

Далее в серии 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.

dTOF

Метод прямого TOF напрямую измеряет время пролёта фотона. Его ключевой компонент, однофотонный лавинный диод (SPAD), достаточно чувствителен для обнаружения одиночных фотонов. Метод dTOF использует метод коррелированного по времени подсчёта одиночных фотонов (TCSPC) для измерения времени прибытия фотонов и построения гистограммы для определения наиболее вероятного расстояния на основе максимальной частоты конкретной разницы во времени.

iTOF

Метод непрямого TOF рассчитывает время пролета на основе разности фаз между излученным и принятым сигналами, обычно с использованием сигналов непрерывной волны или импульсной модуляции. iTOF может использовать стандартную архитектуру датчиков изображения, измеряя интенсивность света с течением времени.

Метод iTOF подразделяется на непрерывную волновую модуляцию (CW-iTOF) и импульсную модуляцию (Pulsed-iTOF). CW-iTOF измеряет фазовый сдвиг между излучаемыми и принимаемыми синусоидальными волнами, тогда как Pulsed-iTOF вычисляет фазовый сдвиг, используя прямоугольные импульсы.

Дополнительное чтение:

Википедия. (nd). Время пролёта. Источник:https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (времяпролётная технология) | Общая технология датчиков изображения. Источник:https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 февраля 2021 г.). Введение в Microsoft Time Of Flight (ToF) — платформа Azure Depth. Источник:https://devblogs.microsoft.com/azure-dynamic-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 марта 2023 г.). Датчики времени пролёта (TOF): подробный обзор и применение. Источник:https://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-deep-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 сайте, собраны из Интернета и Википедии в целях развития образования и обмена информацией. Мы уважаем права интеллектуальной собственности всех создателей. Использование этих изображений не предназначено для получения коммерческой выгоды.

Если вы считаете, что какой-либо из использованных материалов нарушает ваши авторские права, пожалуйста, свяжитесь с нами. Мы готовы принять соответствующие меры, включая удаление изображений или указание авторства, для обеспечения соблюдения законов и норм в области интеллектуальной собственности. Наша цель — поддерживать платформу с богатым контентом, справедливым подходом и уважением прав интеллектуальной собственности других лиц.

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