Subskrybuj nasze media społecznościowe, aby otrzymywać szybkie posty
Celem tej serii jest zapewnienie czytelnikom dogłębnego i stopniowego zrozumienia systemu czasu przelotu (TOF). Treść obejmuje kompleksowy przegląd systemów TOF, w tym szczegółowe wyjaśnienia zarówno pośredniego TOF (iTOF), jak i bezpośredniego TOF (dTOF). W tych sekcjach szczegółowo opisano parametry systemu, ich zalety i wady oraz różne algorytmy. W artykule omówiono także różne komponenty systemów TOF, takie jak lasery emitujące powierzchniowo wnękę pionową (VCSEL), soczewki transmisyjne i odbiorcze, czujniki odbiorcze, takie jak CIS, APD, SPAD, SiPM i obwody sterujące, takie jak ASIC.
Wprowadzenie do TOF (czas lotu)
Podstawowe zasady
TOF, skrót od Time of Flight, to metoda stosowana do pomiaru odległości poprzez obliczenie czasu potrzebnego światłu na przebycie określonej odległości w ośrodku. Zasada ta jest stosowana głównie w scenariuszach optycznych TOF i jest stosunkowo prosta. W procesie tym źródło światła emituje wiązkę światła, a czas emisji jest rejestrowany. Światło to następnie odbija się od celu, jest wychwytywane przez odbiornik i odnotowywany jest czas odbioru. Różnica tych czasów, oznaczona jako t, wyznacza odległość (d = prędkość światła (c) × t/2).
Rodzaje czujników ToF
Istnieją dwa podstawowe typy czujników ToF: optyczne i elektromagnetyczne. Częściej spotykane czujniki optyczne ToF wykorzystują do pomiaru odległości impulsy świetlne, zazwyczaj w zakresie podczerwieni. Impulsy te są emitowane przez czujnik, 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 używają innego mediumpomiar 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 do wykrywania intruzów, wyzwalania alarmów lub aktywacji systemów kamer.
Przemysł motoryzacyjny:Wbudowany w systemy wspomagania kierowcy w celu adaptacyjnego tempomatu i unikania kolizji, staje się coraz bardziej powszechny w nowych modelach pojazdów.
Pole medyczne: Zatrudniony w nieinwazyjnym obrazowaniu i diagnostyce, takiej jak optyczna tomografia koherentna (OCT), tworzący obrazy tkanek o wysokiej rozdzielczości.
Elektronika użytkowa: Zintegrowany ze smartfonami, tabletami i laptopami w celu obsługi takich funkcji, jak rozpoznawanie twarzy, uwierzytelnianie biometryczne i rozpoznawanie gestów.
Drony:Wykorzystywany do nawigacji, unikania kolizji oraz rozwiązywania problemów związanych z prywatnością i lotnictwem
Architektura systemu TOF
Typowy system TOF składa się z kilku kluczowych elementów umożliwiających osiągnięcie pomiaru odległości zgodnie z opisem:
· Nadajnik (Tx):Obejmuje to laserowe źródło światła, głównie aVCSEL, obwód sterownika ASIC do sterowania laserem oraz elementy optyczne do sterowania wiązką, takie jak soczewki kolimacyjne lub dyfrakcyjne elementy optyczne, a także filtry.
· Odbiornik (odbiornik):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 odbiornika.
·Zarządzanie energią:Zarządzanie stabilnymkontrola prądu dla VCSEL i wysokiego napięcia dla SPAD ma kluczowe znaczenie i wymaga niezawodnego zarządzania energią.
· Warstwa oprogramowania:Obejmuje to oprogramowanie sprzętowe, zestaw SDK, system operacyjny i warstwę aplikacji.
Architektura pokazuje, w jaki sposób wiązka laserowa pochodząca z VCSEL i modyfikowana elementami optycznymi przemieszcza się w przestrzeni, odbija się od obiektu i wraca do odbiornika. Obliczanie upływu czasu w tym procesie ujawnia informacje o odległości lub głębokości. Jednak ta architektura nie obejmuje ścieżek szumu, takich jak szum wywołany światłem słonecznym lub szum wielościeżkowy z odbić, które zostaną omówione w dalszej części serii.
Klasyfikacja systemów TOF
Systemy TOF dzieli się głównie na kategorie według technik pomiaru odległości: bezpośredni TOF (dTOF) i pośredni TOF (iTOF), każdy z odrębnym podejściem sprzętowym i algorytmicznym. Seria początkowo przedstawia ich zasady, a następnie przechodzi do analizy porównawczej ich zalet, wyzwań i parametrów systemu.
Pomimo pozornie prostej zasady TOF – emitowania impulsu świetlnego i wykrywania jego powrotu w celu obliczenia odległości – złożoność polega na odróżnieniu światła powracającego od światła otoczenia. Aby temu zaradzić, należy emitować wystarczająco jasne światło, aby uzyskać wysoki stosunek sygnału do szumu, i wybierać odpowiednie długości fal, aby zminimalizować zakłócenia światła otoczenia. Innym podejściem jest zakodowanie emitowanego światła, aby było możliwe do odróżnienia po powrocie, podobnie jak sygnały SOS za pomocą latarki.
W dalszej części serii porównano dTOF i iTOF, szczegółowo omawiając ich różnice, zalety i wyzwania, a także dokonano dalszej kategoryzacji systemów TOF na podstawie złożoności dostarczanych przez nie informacji, począwszy od 1D TOF do 3D TOF.
dTOF
Direct TOF bezpośrednio mierzy czas lotu fotonu. Jego kluczowy element, dioda lawinowa pojedynczego fotonu (SPAD), jest wystarczająco czuła, aby wykryć pojedyncze fotony. dTOF wykorzystuje skorelowane z czasem zliczanie pojedynczych fotonów (TCSPC) do pomiaru czasu przybycia fotonów, konstruując histogram w celu wywnioskowania najbardziej prawdopodobnej odległości na podstawie najwyższej częstotliwości określonej różnicy czasu.
iTOF
Pośredni TOF oblicza czas lotu w oparciu o różnicę faz między falami emitowanymi i odbieranymi, zwykle wykorzystując sygnały modulacji fali ciągłej lub impulsowej. iTOF może wykorzystywać standardowe architektury czujników obrazu, mierząc natężenie światła w czasie.
iTOF dzieli się dalej na modulację fali ciągłej (CW-iTOF) i modulację impulsową (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mierzy przesunięcie fazowe pomiędzy emitowanymi i odbieranymi falami sinusoidalnymi, podczas gdy Pulsed-iTOF oblicza przesunięcie fazowe przy użyciu sygnałów o fali prostokątnej.
Dalsze czytanie:
- Wikipedia. (nd). Czas lotu. Pobrane zhttps://en.wikipedia.org/wiki/Czas_lotu
- Grupa Sony ds. rozwiązań półprzewodnikowych. (nd). ToF (Czas lotu) | Wspólna technologia czujników obrazu. Pobrane zhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoftu. (2021, 4 lutego). Wprowadzenie do usługi Microsoft Time Of Flight (ToF) — platforma Azure Depth. Pobrane zhttps://devblogs.microsoft.com/azure-głębi-platforma/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 marca). Czujniki czasu lotu (TOF): szczegółowy przegląd i zastosowania. Pobrane zhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-built-overview-and-applications
Ze strony internetowejhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
autor: Chao Guang
Zastrzeżenie:
Oświadczamy, że niektóre obrazy prezentowane na naszej stronie pochodzą z Internetu i Wikipedii, w celu promowania edukacji i wymiany informacji. Szanujemy prawa własności intelektualnej wszystkich twórców. Wykorzystanie tych obrazów nie ma na celu osiągnięcia zysku komercyjnego.
Jeśli uważasz, że jakakolwiek wykorzystana treść narusza Twoje prawa autorskie, skontaktuj się z nami. Jesteśmy więcej niż chętni do podjęcia odpowiednich działań, w tym usunięcia obrazów lub zapewnienia odpowiedniego przypisania, 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.cn. Zobowiązujemy się do podjęcia natychmiastowych działań po otrzymaniu powiadomienia i gwarantujemy 100% współpracę w rozwiązywaniu takich problemów.
Czas publikacji: 18 grudnia 2023 r