Подпишитесь на наши страницы в социальных сетях, чтобы получать оперативные публикации.
Цель этой серии статей — предоставить читателям углубленное и последовательное понимание системы измерения времени пролета (TOF). Содержание включает в себя всесторонний обзор систем TOF, в том числе подробные объяснения как косвенного TOF (iTOF), так и прямого TOF (dTOF). В этих разделах рассматриваются параметры системы, ее преимущества и недостатки, а также различные алгоритмы. В статье также исследуются 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 управления, такие как ASIC.
Введение в TOF (время пролета)
Основные принципы
TOF, что расшифровывается как время пролета, — это метод измерения расстояния путем вычисления времени, за которое свет проходит определенное расстояние в среде. Этот принцип в основном применяется в оптических сценариях TOF и относительно прост. Процесс включает в себя источник света, излучающий луч света, время излучения которого регистрируется. Затем этот свет отражается от цели, улавливается приемником, и время приема фиксируется. Разница между этими временами, обозначаемая как t, определяет расстояние (d = скорость света (c) × t / 2).
Типы ToF-датчиков
Существует два основных типа датчиков времени пролета (ToF): оптические и электромагнитные. Оптические датчики ToF, которые более распространены, используют световые импульсы, как правило, в инфракрасном диапазоне, для измерения расстояния. Эти импульсы излучаются датчиком, отражаются от объекта и возвращаются к датчику, где измеряется время прохождения и используется для расчета расстояния. В отличие от них, электромагнитные датчики ToF используют электромагнитные волны, такие как радар или лидар, для измерения расстояния. Они работают по схожему принципу, но используют другую среду для измерения.измерение расстояния.
Применение датчиков ToF
Датчики ToF универсальны и интегрированы в различные области:
Робототехника:Используется для обнаружения препятствий и навигации. Например, такие роботы, как Roomba и Atlas от Boston Dynamics, используют ToF-камеры для построения карты окружающей среды и планирования движений.
Системы безопасности:Широко используются в датчиках движения для обнаружения злоумышленников, срабатывания сигнализации или активации систем видеонаблюдения.
Автомобильная промышленность:Встроенная в системы помощи водителю для адаптивного круиз-контроля и предотвращения столкновений, эта технология становится все более распространенной в новых моделях автомобилей.
Медицинская областьИспользуется в неинвазивной визуализации и диагностике, например, в оптической когерентной томографии (ОКТ), для получения изображений тканей с высоким разрешением.
Бытовая электроникаИнтегрируется 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 вопросов конфиденциальности и безопасности в авиации.
Архитектура системы TOF
Типичная система TOF состоит из нескольких ключевых компонентов, обеспечивающих измерение расстояния, как описано выше:
· Передатчик (Tx):Это включает в себя лазерный источник света, в основном...VCSEL, интегральная схема управления лазером, а также оптические компоненты для управления лучом, такие как коллимирующие линзы или дифракционные оптические элементы, и фильтры.
· Приёмник (Rx):В состав системы входят линзы и фильтры на приемном конце, датчики, такие как CIS, SPAD или SiPM, в зависимости от системы TOF, а также процессор обработки изображений (ISP) для обработки больших объемов данных с приемного чипа.
·Управление питанием:Управление конюшнейУправление током для VCSEL-лазеров и высоким напряжением для SPAD-лазеров имеет решающее значение, требуя надежного управления питанием.
· Программный уровень:Это включает в себя встроенное ПО, SDK, операционную систему и прикладной уровень.
Представленная архитектура демонстрирует, как лазерный луч, исходящий от VCSEL и модифицированный оптическими компонентами, распространяется в пространстве, отражается от объекта и возвращается к приемнику. Расчет временной задержки в этом процессе позволяет получить информацию о расстоянии или глубине. Однако данная архитектура не охватывает пути распространения шума, такие как шум, вызванный солнечным светом, или многолучевой шум от отражений, которые будут рассмотрены далее в этой серии.
Классификация систем TOF
Системы TOF в основном классифицируются по используемым методам измерения расстояния: прямая TOF (dTOF) и косвенная TOF (iTOF), каждая из которых имеет свои особенности в аппаратном обеспечении и алгоритмах. В начале серии статей излагаются их принципы, а затем проводится сравнительный анализ их преимуществ, проблем и параметров системы.
Несмотря на кажущуюся простоту принципа работы времяпролетного детектора (TOF) — излучение светового импульса и обнаружение его возврата для расчета расстояния — сложность заключается в различении возвращающегося света от окружающего освещения. 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 при возврате, подобно сигналам SOS, подаваемым с помощью фонарика.
В серии статей проводится сравнение dTOF и iTOF, подробно обсуждаются их различия, преимущества и проблемы, а также проводится дальнейшая классификация систем TOF в зависимости от сложности предоставляемой ими информации, от 1D TOF до 3D TOF.
dTOF
Метод прямого измерения времени пролета (Direct TOF) напрямую измеряет время пролета фотона. Его ключевой компонент, лавинный диод для регистрации одиночных фотонов (SPAD), достаточно чувствителен для обнаружения отдельных фотонов. dTOF использует метод подсчета одиночных фотонов с временной корреляцией (TCSPC) для измерения времени прихода фотонов, строя гистограмму для определения наиболее вероятного расстояния на основе наибольшей частоты определенной разницы во времени.
iTOF
Метод косвенного измерения времени пролета (iTOF) вычисляет время полета на основе разности фаз между излучаемым и принимаемым сигналами, обычно используя сигналы непрерывной волны или импульсной модуляции. iTOF может использовать стандартные архитектуры датчиков изображения, измеряя интенсивность света во времени.
Метод iTOF подразделяется на метод непрерывной волновой модуляции (CW-iTOF) и метод импульсной модуляции (Pulsed-iTOF). Метод CW-iTOF измеряет фазовый сдвиг между излучаемыми и принимаемыми синусоидальными волнами, тогда как метод Pulsed-iTOF вычисляет фазовый сдвиг с использованием сигналов прямоугольной формы.
Дополнительная информация:
- Википедия. (без даты). Время полета. Получено изhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (без даты). ToF (Time of Flight) | Общая технология датчиков изображения. Получено изhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 февраля 2021 г.). Введение в технологию Microsoft Time Of Flight (ToF) — платформа Azure Depth. Получено изhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 марта). Датчики времени пролета (TOF): подробный обзор и области применения. 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
Предупреждение:
Настоящим заявляем, что некоторые изображения, размещенные на нашем веб-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 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 источника, для обеспечения соблюдения законов и правил об интеллектуальной собственности. Наша цель — поддерживать платформу, богатую контентом, справедливую и уважающую права интеллектуальной собственности других лиц.
Пожалуйста, свяжитесь с нами по следующему адресу электронной почты:sales@lumispot.cnМы обязуемся незамедлительно принимать меры после получения любого уведомления и гарантируем 100% сотрудничество в решении любых подобных проблем.
Дата публикации: 18 декабря 2023 г.