Novice - Osnovno načelo in uporaba sistema TOF (čas leta)

Naročite se na naša družbena omrežja za hitre objave

Namen te serije je bralcem zagotoviti poglobljeno in postopno razumevanje sistema za merjenje časa preleta (TOF). Vsebina zajema celovit pregled sistemov TOF, vključno s podrobnimi razlagami posrednega TOF (iTOF) in neposrednega TOF (dTOF). Ti razdelki se poglobljeno ukvarjajo s sistemskimi parametri, njihovimi prednostmi in slabostmi ter različnimi algoritmi. Članek raziskuje tudi različne komponente sistemov TOF, kot so laserji z navpično votlino za oddajanje površin (VCSEL), oddajne in sprejemne leče, sprejemni senzorji, kot so CIS, APD, SPAD, SiPM, in gonilna vezja, kot so ASIC-i.

Uvod v TOF (čas leta)

Osnovna načela

TOF, kratica za čas preleta (Time of Flight), je metoda, ki se uporablja za merjenje razdalje z izračunom časa, ki ga svetloba potrebuje, da prepotuje določeno razdaljo v mediju. To načelo se uporablja predvsem v optičnih scenarijih TOF in je relativno preprosto. Postopek vključuje svetlobni vir, ki oddaja svetlobni žarek, pri čemer se zabeleži čas emisije. Ta svetloba se nato odbije od cilja, jo zajame sprejemnik in zabeleži se čas sprejema. Razlika v teh časih, označena kot t, določa razdaljo (d = hitrost svetlobe (c) × t / 2).

Vrste ToF senzorjev

Obstajata dve glavni vrsti ToF senzorjev: optični in elektromagnetni. Optični ToF senzorji, ki so pogostejši, za merjenje razdalje uporabljajo svetlobne impulze, običajno v infrardečem območju. Ti impulzi se oddajajo iz senzorja, se odbijejo od predmeta in se vrnejo v senzor, kjer se izmeri čas potovanja, ki se uporabi za izračun razdalje. Nasprotno pa elektromagnetni ToF senzorji za merjenje razdalje uporabljajo elektromagnetne valove, kot sta radar ali lidar. Delujejo na podobnem principu, vendar uporabljajo drugačen medij za...merjenje razdalje.

Uporaba ToF senzorjev

ToF senzorji so vsestranski in so bili integrirani v različna področja:

Robotika:Uporablja se za zaznavanje ovir in navigacijo. Na primer, roboti, kot sta Roomba in Atlas podjetja Boston Dynamics, uporabljajo globinske kamere ToF za kartiranje okolice in načrtovanje gibanja.

Varnostni sistemi:Pogosto se uporablja v senzorjih gibanja za zaznavanje vsiljivcev, sprožanje alarmov ali aktiviranje sistemov kamer.

Avtomobilska industrija:Vgrajen v sisteme za pomoč vozniku za prilagodljivi tempomat in preprečevanje trkov, ki postajajo vse bolj razširjeni v novih modelih vozil.

Medicinsko področjeUporablja se v neinvazivnem slikanju in diagnostiki, kot je optična koherentna tomografija (OCT), ki ustvarja slike tkiv visoke ločljivosti.

Potrošniška elektronikaIntegrirano v pametne telefone, tablične računalnike in prenosne računalnike za funkcije, kot so prepoznavanje obrazov, biometrična avtentikacija in prepoznavanje gest.

Droni:Uporablja se za navigacijo, izogibanje trkom ter pri reševanju vprašanj zasebnosti in letalstva.

Arhitektura sistema TOF

Tipičen sistem TOF je sestavljen iz več ključnih komponent za doseganje merjenja razdalje, kot je opisano:

· Oddajnik (Tx):To vključuje laserski vir svetlobe, predvsemVCSEL, gonilno vezje ASIC za pogon laserja in optične komponente za nadzor žarka, kot so kolimatorske leče ali difrakcijski optični elementi, ter filtri.
· Sprejemnik (Rx):To je sestavljeno iz leč in filtrov na sprejemnem koncu, senzorjev, kot so CIS, SPAD ali SiPM, odvisno od sistema TOF, in procesorja slikovnih signalov (ISP) za obdelavo velikih količin podatkov iz sprejemnega čipa.
·Upravljanje porabe energije:Upravljanje stabilnihNadzor toka za VCSEL-e in visoke napetosti za SPAD-e je ključnega pomena, saj zahteva robustno upravljanje porabe energije.
· Programska plast:To vključuje vdelano programsko opremo, SDK, operacijski sistem in aplikacijsko plast.

Arhitektura prikazuje, kako laserski žarek, ki izvira iz VCSEL-a in je spremenjen z optičnimi komponentami, potuje skozi prostor, se odbija od predmeta in se vrne v sprejemnik. Izračun časovnega zamika v tem procesu razkrije informacije o razdalji ali globini. Vendar ta arhitektura ne zajema šumnih poti, kot sta šum, ki ga povzroča sončna svetloba, ali večpotni šum zaradi odbojev, o katerih bomo razpravljali kasneje v seriji.

Klasifikacija TOF sistemov

Sistemi TOF so primarno razvrščeni glede na tehnike merjenja razdalje: neposredni TOF (dTOF) in posredni TOF (iTOF), vsak z drugačno strojno opremo in algoritmičnimi pristopi. Serija najprej predstavi njihova načela, nato pa se poglobi v primerjalno analizo njihovih prednosti, izzivov in sistemskih parametrov.

Kljub na videz preprostemu principu TOF – oddajanju svetlobnega impulza in zaznavanju njegovega povratka za izračun razdalje – je kompleksnost v razlikovanju odbojne svetlobe od svetlobe iz okolja. To se reši z oddajanjem dovolj svetle svetlobe za doseganje visokega razmerja signal/šum ter izbiro ustreznih valovnih dolžin za zmanjšanje motenj svetlobe iz okolja. Drug pristop je kodiranje odbite svetlobe, da jo je mogoče razločiti ob vrnitvi, podobno kot pri signalih SOS s svetilko.

Serija nato primerja dTOF in iTOF, podrobno obravnava njune razlike, prednosti in izzive ter nadalje kategorizira sisteme TOF glede na kompleksnost informacij, ki jih zagotavljajo, od 1D TOF do 3D TOF.

dTOF

Direktni TOF neposredno meri čas preleta fotona. Njegova ključna komponenta, dioda za zaznavanje posameznih fotonov (SPAD), je dovolj občutljiva, da zazna posamezne fotone. dTOF uporablja časovno korelirano štetje posameznih fotonov (TCSPC) za merjenje časa prihoda fotonov in konstruiranje histograma za določitev najverjetnejše razdalje na podlagi najvišje frekvence določene časovne razlike.

iTOF

Posredni TOF izračuna čas leta na podlagi fazne razlike med oddajanimi in prejetimi valovnimi oblikami, običajno z uporabo signalov neprekinjenega valovanja ali pulzne modulacije. iTOF lahko uporablja standardne arhitekture slikovnih senzorjev in meri intenzivnost svetlobe skozi čas.

iTOF se nadalje deli na modulacijo zveznega valovanja (CW-iTOF) in pulzno modulacijo (Pulsed-iTOF). CW-iTOF meri fazni premik med oddajanimi in sprejetimi sinusnimi valovi, medtem ko pulsed-iTOF izračuna fazni premik z uporabo pravokotnih valovnih signalov.

Nadaljnje branje:

Wikipedija. (nd). Čas leta. Pridobljeno izhttps://en.wikipedia.org/wiki/Čas_leta
Skupina Sony Semiconductor Solutions. (nd). ToF (čas leta) | Skupna tehnologija slikovnih senzorjev. Pridobljeno izhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. februar 2021). Uvod v Microsoft Time Of Flight (ToF) – platforma Azure Depth. Pridobljeno izhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2. marec 2023). Senzorji časa preleta (TOF): podroben pregled in uporaba. Pridobljeno izhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

S spletne stranihttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

avtor: Chao Guang

Izjava o omejitvi odgovornosti:

S tem izjavljamo, da so nekatere slike, prikazane na naši spletni strani, zbrane z interneta in Wikipedije z namenom spodbujanja izobraževanja in izmenjave informacij. Spoštujemo pravice intelektualne lastnine vseh ustvarjalcev. Uporaba teh slik ni namenjena komercialnemu dobičku.

Če menite, da katera koli uporabljena vsebina krši vaše avtorske pravice, nas prosimo kontaktirajte. Z veseljem bomo sprejeli ustrezne ukrepe, vključno z odstranitvijo slik ali ustrezno navedbo avtorstva, da zagotovimo skladnost z zakoni in predpisi o intelektualni lastnini. Naš cilj je ohraniti platformo, ki je bogata z vsebino, poštena in spoštuje pravice intelektualne lastnine drugih.

Prosimo, kontaktirajte nas na naslednjem e-poštnem naslovu:sales@lumispot.cnZavezujemo se, da bomo po prejemu kakršnega koli obvestila nemudoma ukrepali in zagotavljamo 100-odstotno sodelovanje pri reševanju takšnih težav.