Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
Celem tej serii jest zapewnienie czytelnikom dogłębnego i stopniowego zrozumienia systemu TOF (Time of Flight). Treści obejmują kompleksowy przegląd systemów TOF, w tym szczegółowe wyjaśnienia zarówno pośredniego TOF (iTOF), jak i bezpośredniego TOF (dTOF). W tych sekcjach omówiono parametry systemu, jego zalety i wady oraz różne algorytmy. Artykuł omawia również różne komponenty systemów TOF, takie jak lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), soczewki nadawczo-odbiorcze, czujniki odbiorcze, takie jak CIS, APD, SPAD, SiPM, oraz układy sterujące, takie jak układy ASIC.
Wprowadzenie do TOF (czasu lotu)
Podstawowe zasady
TOF, czyli Time of Flight (czas przelotu), to metoda pomiaru odległości polegająca na obliczeniu czasu potrzebnego światłu na pokonanie określonej odległości w danym ośrodku. Zasada ta jest stosowana głównie w optycznych scenariuszach TOF i jest stosunkowo prosta. Proces polega na emitowaniu wiązki światła przez źródło światła, a czas emisji jest rejestrowany. Światło odbija się od celu, jest rejestrowane przez odbiornik, a czas odbioru jest rejestrowany. Różnica tych czasów, oznaczana 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 one na podobnej zasadzie, ale wykorzystują inne medium.pomiar odległości.
Zastosowania czujników ToF
Czujniki ToF są wszechstronne i zostały zintegrowane z różnymi dziedzinami:
Robotyka:Służy 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 powszechniejsze w nowych modelach pojazdów.
Dziedzina medyczna:Stosowany w nieinwazyjnym obrazowaniu i diagnostyce, np. w tomografii koherentnej optycznej (OCT), generującej obrazy tkanek o wysokiej rozdzielczości.
Elektronika użytkowa:Zintegrowane ze smartfonami, tabletami i laptopami, umożliwiające 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, jak opisano:
· Nadajnik (Tx):Obejmuje to źródło światła laserowego, głównieVCSEL, układ sterujący ASIC do sterowania laserem oraz elementy 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 jest kluczowa, co wymaga solidnego zarządzania energią.
· Warstwa oprogramowania:Obejmuje to oprogramowanie sprzętowe, zestaw SDK, system operacyjny i warstwę aplikacji.
Architektura demonstruje, jak wiązka laserowa, pochodząca z lasera VCSEL i modyfikowana przez komponenty optyczne, przemieszcza się w przestrzeni, odbija się od obiektu i powraca do odbiornika. Obliczenia poklatkowe w tym procesie ujawniają informacje o odległości lub głębokości. Architektura ta nie obejmuje jednak ścieżek szumów, takich jak szum indukowany światłem słonecznym lub szum wielodrożny z odbić, które zostaną omówione w dalszej części serii.
Klasyfikacja systemów TOF
Systemy TOF klasyfikuje się przede wszystkim według technik pomiaru odległości: bezpośredni TOF (dTOF) i pośredni TOF (iTOF), z których każdy charakteryzuje się odrębnym podejściem sprzętowym i algorytmicznym. W serii najpierw przedstawiono zasady ich działania, a następnie przeanalizowano ich zalety, wyzwania i parametry systemu.
Pomimo pozornie prostej zasady TOF – emisji impulsu świetlnego i wykrywania jego powrotu w celu obliczenia odległości – złożoność polega na odróżnieniu światła powracającego od światła otoczenia. Rozwiązuje się to poprzez emisję wystarczająco jasnego światła, aby uzyskać wysoki stosunek sygnału do szumu, oraz dobór odpowiednich długości fal w celu zminimalizowania zakłóceń światła otoczenia. Innym podejściem jest kodowanie emitowanego światła, aby umożliwić jego odróżnienie po powrocie, podobnie jak w przypadku sygnałów SOS wysyłanych 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 informacji, od 1D TOF do 3D TOF.
dTOF
Bezpośredni TOF bezpośrednio mierzy czas przelotu fotonu. Jego kluczowy element, dioda lawinowa pojedynczego fotonu (SPAD), jest wystarczająco czuły, aby wykrywać pojedyncze fotony. dTOF wykorzystuje metodę skorelowanego w czasie zliczania pojedynczych fotonów (TCSPC) do pomiaru czasu przybycia fotonów, konstruując histogram w celu określenia najbardziej prawdopodobnej odległości na podstawie najwyższej częstotliwości danej różnicy czasu.
iTOF
Metoda pośredniego TOF oblicza czas lotu na podstawie różnicy faz między sygnałami emitowanymi i odbieranymi, zazwyczaj wykorzystując sygnały modulacji ciągłej lub impulsowej. iTOF może wykorzystywać standardowe architektury czujników obrazu, mierząc natężenie światła w czasie.
Modulacja iTOF dzieli się dalej na modulację falą ciągłą (CW-iTOF) i modulację impulsową (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mierzy przesunięcie fazowe między emitowanymi a odbieranymi falami sinusoidalnymi, natomiast Pulsed-iTOF oblicza przesunięcie fazowe za pomocą sygnałów fali prostokątnej.
Dalsza lektura:
- Wikipedia. (nd). Czas lotu. Źródło:https://pl.wikipedia.org/wiki/Czas_lotu
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Wspólna technologia czujników obrazu. Źródło:https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 lutego 2021). Wprowadzenie do Microsoft Time Of Flight (ToF) – Azure Depth Platform. Źródło:https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/wprowadzenie-do-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 marca 2023 r.). Czujniki czasu przelotu (TOF): szczegółowy przegląd i zastosowania. Źródło:https://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 prezentowane na naszej stronie internetowej pochodzą z Internetu i Wikipedii, a ich celem jest promocja edukacji i dzielenie 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. Chętnie podejmiemy odpowiednie kroki, w tym usuniemy obrazy lub zapewnimy prawidłowe oznaczenie autorstwa, aby zapewnić zgodność z przepisami 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 następującym adresem e-mail:sales@lumispot.cnZobowiązujemy się do podjęcia natychmiastowych działań po otrzymaniu powiadomienia i gwarantujemy 100% współpracę w rozwiązywaniu wszelkich tego typu problemów.
Czas publikacji: 18 grudnia 2023 r.