Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
Celem tej serii jest zapewnienie czytelnikom dogłębnego i stopniowego zrozumienia systemu Time of Flight (TOF). Treść obejmuje kompleksowy przegląd systemów TOF, w tym szczegółowe wyjaśnienia zarówno pośredniego TOF (iTOF), jak i bezpośredniego TOF (dTOF). Te sekcje zagłębiają się w parametry systemu, ich zalety i wady oraz różne algorytmy. Artykuł bada również różne komponenty systemów TOF, takie jak lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), soczewki transmisyjne i odbiorcze, czujniki odbiorcze, takie jak CIS, APD, SPAD, SiPM i obwody sterujące, takie jak ASIC.
Wprowadzenie do TOF (Time of Flight)
Podstawowe zasady
TOF, skrót od Time of Flight, to metoda pomiaru odległości poprzez obliczenie czasu, w jakim światło pokonuje określoną odległość w medium. Zasada ta jest stosowana głównie w scenariuszach optycznego TOF i jest stosunkowo prosta. Proces obejmuje źródło światła emitujące wiązkę światła, przy czym czas emisji jest rejestrowany. Następnie światło to odbija się od celu, jest przechwytywane przez odbiornik, a czas odbioru jest rejestrowany. Różnica tych czasów, oznaczona jako t, określa odległość (d = prędkość światła (c) × t / 2).
Rodzaje czujników ToF
Istnieją dwa główne typy czujników ToF: optyczne i elektromagnetyczne. Optyczne czujniki ToF, które są bardziej powszechne, wykorzystują impulsy światła, zazwyczaj w zakresie podczerwieni, do pomiaru odległości. Impulsy te są emitowane z czujnika, odbijają się od obiektu i wracają do czujnika, gdzie mierzony jest czas podróży i wykorzystywany do obliczenia odległości. Natomiast elektromagnetyczne czujniki ToF wykorzystują fale elektromagnetyczne, takie jak radar lub lidar, do pomiaru odległości. Działają na podobnej zasadzie, ale wykorzystują inne medium dopomiar odległości.
Zastosowania czujników ToF
Czujniki ToF są uniwersalne i zostały zintegrowane z różnymi dziedzinami:
Robotyka:Używane do wykrywania przeszkód i nawigacji. Na przykład roboty takie jak Roomba i Atlas firmy Boston Dynamics wykorzystują kamery głębi ToF do mapowania otoczenia i planowania ruchów.
Systemy bezpieczeństwa:Powszechnie stosowane w czujnikach ruchu służących do wykrywania intruzów, uruchamiania alarmów lub aktywacji systemów kamer.
Przemysł motoryzacyjny:Wbudowane w systemy wspomagania kierowcy, takie jak adaptacyjny tempomat i zapobieganie kolizjom, stają się coraz bardziej powszechne w nowych modelach pojazdów.
Dziedzina medyczna:Stosowany w nieinwazyjnym obrazowaniu i diagnostyce, np. w tomografii koherentnej optycznej (OCT), umożliwiający uzyskanie obrazów tkanek o wysokiej rozdzielczości.
Elektronika użytkowa:Zintegrowany ze smartfonami, tabletami i laptopami, umożliwiający korzystanie z takich funkcji jak rozpoznawanie twarzy, uwierzytelnianie biometryczne i rozpoznawanie gestów.
Drony:Wykorzystywane do nawigacji, unikania kolizji oraz w rozwiązywaniu problemów związanych z prywatnością i lotnictwem.
Architektura systemu TOF
Typowy system TOF składa się z kilku kluczowych komponentów umożliwiających pomiar odległości w opisany sposób:
· Nadajnik (Tx):Obejmuje to źródło światła laserowego, głównieVCSE, układ ASIC sterujący laserem oraz komponenty optyczne do sterowania wiązką, takie jak soczewki kolimatorowe lub dyfrakcyjne elementy optyczne i filtry.
· Odbiornik (Rx):Składa się on z soczewek i filtrów po stronie odbiorczej, czujników, takich jak CIS, SPAD lub SiPM, w zależności od systemu TOF, oraz procesora sygnału obrazu (ISP) do przetwarzania dużych ilości danych z układu odbiorczego.
·Zarządzanie energią:Zarządzanie stajniąkontrola prądu w przypadku laserów VCSEL i wysokiego napięcia w przypadku laserów SPAD ma kluczowe znaczenie, co wymaga solidnego zarządzania energią.
· Warstwa oprogramowania:Obejmuje to oprogramowanie sprzętowe, zestaw SDK, system operacyjny i warstwę aplikacji.
Architektura pokazuje, jak wiązka lasera, pochodząca z VCSEL i zmodyfikowana przez komponenty optyczne, przemieszcza się przez przestrzeń, odbija się od obiektu i powraca do odbiornika. Obliczenia poklatkowe w tym procesie ujawniają informacje o odległości lub głębokości. Jednak architektura ta nie obejmuje ścieżek szumów, takich jak szum wywołany światłem słonecznym lub szum wielościeżkowy z odbić, które są omawiane później w tej serii.
Klasyfikacja systemów TOF
Systemy TOF są przede wszystkim klasyfikowane według technik pomiaru odległości: bezpośredni TOF (dTOF) i pośredni TOF (iTOF), każdy z odrębnym podejściem sprzętowym i algorytmicznym. Seria początkowo przedstawia ich zasady, zanim zagłębi się w analizę porównawczą ich zalet, wyzwań i parametrów systemu.
Pomimo pozornie prostej zasady TOF – emitowania impulsu światła i wykrywania jego powrotu w celu obliczenia odległości – złożoność polega na odróżnianiu światła powracającego od światła otoczenia. Jest to rozwiązywane poprzez emitowanie wystarczająco jasnego światła, aby uzyskać wysoki stosunek sygnału do szumu i wybieranie odpowiednich długości fal w celu zminimalizowania zakłóceń światła otoczenia. Innym podejściem jest kodowanie emitowanego światła, aby było ono rozróżnialne po powrocie, podobnie jak sygnały SOS z latarką.
W serii porównano dTOF i iTOF, szczegółowo omówiono różnice, zalety i wyzwania między nimi, a także dokonano dalszej klasyfikacji systemów TOF na podstawie złożoności dostarczanych przez nie informacji, od 1D TOF do 3D TOF.
dTOF
Direct TOF bezpośrednio mierzy czas lotu fotonu. Jego kluczowy komponent, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), jest wystarczająco czuły, aby wykrywać pojedyncze fotony. dTOF wykorzystuje Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) do pomiaru czasu przybycia fotonów, konstruując histogram w celu wywnioskowania najbardziej prawdopodobnej odległości na podstawie najwyższej częstotliwości określonej różnicy czasu.
iTOF
Metoda pośredniego TOF oblicza czas lotu na podstawie różnicy faz między emitowanymi i odbieranymi sygnałami, zazwyczaj wykorzystując sygnały fali ciągłej lub modulacji impulsowej. iTOF może wykorzystywać standardowe architektury czujników obrazu, mierząc natężenie światła w czasie.
iTOF dzieli się dalej na ciągłą modulację falową (CW-iTOF) i modulację impulsową (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mierzy przesunięcie fazowe między emitowanymi i odbieranymi falami sinusoidalnymi, podczas gdy Pulsed-iTOF oblicza przesunięcie fazowe przy użyciu sygnałów fali kwadratowej.
Dalsza lektura:
- Wikipedia. (nd). Czas lotu. Pobrano zhttps://pl.wikipedia.org/wiki/Czas_lotu
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Common Technology of Image Sensors. Pobrano zhttps://www.sony-semicon.com/pl/technologie/tof
- Microsoft. (2021, 4 lutego). Wprowadzenie do Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Pobrano zhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/wprowadzenie-do-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 marca). Czujniki czasu lotu (TOF): dogłębny przegląd i zastosowania. Pobrano zhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Ze strony internetowejhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
przez autora: Chao Guang
Zastrzeżenie:
Niniejszym oświadczamy, że niektóre obrazy wyświetlane na naszej stronie internetowej są zbierane z Internetu i Wikipedii, w celu promowania edukacji i dzielenia się informacjami. Szanujemy prawa własności intelektualnej wszystkich twórców. Wykorzystanie tych obrazów nie ma na celu osiągnięcia korzyści komercyjnych.
Jeśli uważasz, że jakakolwiek wykorzystana treść narusza Twoje prawa autorskie, skontaktuj się z nami. Jesteśmy bardziej niż skłonni podjąć odpowiednie środki, w tym usunąć obrazy lub podać właściwe przypisania, aby zapewnić zgodność z prawami i regulacjami dotyczącymi własności intelektualnej. Naszym celem jest utrzymanie platformy bogatej w treści, uczciwej i szanującej prawa własności intelektualnej innych osób.
Prosimy o kontakt pod poniższym adresem e-mail:sales@lumispot.cn. Zobowiązujemy się do podjęcia natychmiastowych działań po otrzymaniu jakiegokolwiek powiadomienia i gwarantujemy 100% współpracę w rozwiązywaniu wszelkich takich problemów.
Czas publikacji: 18-12-2023