Vijesti - Osnovni princip i primjena TOF (Time of Flight) sustava

Pretplatite se na naše društvene mreže za brzu objavu

Ova serija ima za cilj pružiti čitateljima dubinsko i progresivno razumijevanje sustava vremena leta (TOF). Sadržaj pokriva opsežan pregled TOF sustava, uključujući detaljna objašnjenja neizravnog TOF-a (iTOF) i izravnog TOF-a (dTOF). Ovi odjeljci zadubljuju se u parametre sustava, njihove prednosti i nedostatke te razne algoritme. U članku se također istražuju različite komponente TOF sustava, kao što su površinski emitirajući laseri s okomitom šupljinom (VCSEL), transmisione i prijamne leće, prijemni senzori kao što su CIS, APD, SPAD, SiPM i pogonski sklopovi kao što su ASIC.

Uvod u TOF (vrijeme leta)

Osnovna načela

TOF, skraćeno od Time of Flight, metoda je koja se koristi za mjerenje udaljenosti izračunavanjem vremena potrebnog svjetlosti da prijeđe određenu udaljenost u mediju. Ovo se načelo prvenstveno primjenjuje u scenarijima optičkog TOF-a i relativno je jednostavno. Proces uključuje izvor svjetlosti koji emitira snop svjetlosti, uz zabilježeno vrijeme emisije. Ta se svjetlost zatim reflektira od mete, hvata je prijemnik i bilježi vrijeme prijema. Razlika u tim vremenima, označena kao t, određuje udaljenost (d = brzina svjetlosti (c) × t / 2).

Vrste ToF senzora

Postoje dvije osnovne vrste ToF senzora: optički i elektromagnetski. Optički ToF senzori, koji su češći, koriste svjetlosne impulse, obično u infracrvenom rasponu, za mjerenje udaljenosti. Ovi impulsi se emitiraju iz senzora, odbijaju se od objekta i vraćaju u senzor, gdje se vrijeme putovanja mjeri i koristi za izračunavanje udaljenosti. Nasuprot tome, elektromagnetski ToF senzori koriste elektromagnetske valove, poput radara ili lidara, za mjerenje udaljenosti. Djeluju na sličnom principu, ali koriste drugačiji medij zamjerenje udaljenosti.

Primjene ToF senzora

ToF senzori su svestrani i integrirani u razna područja:

Robotika:Koristi se za otkrivanje prepreka i navigaciju. Na primjer, roboti poput Roombe i Atlasa tvrtke Boston Dynamics koriste ToF dubinske kamere za mapiranje svoje okoline i planiranje kretanja.

Sigurnosni sustavi:Uobičajeno u senzorima pokreta za otkrivanje uljeza, aktiviranje alarma ili aktiviranje sustava kamera.

Automobilska industrija:Ugrađen u sustave za pomoć vozaču za prilagodljivi tempomat i izbjegavanje sudara, postaje sve prisutniji u novim modelima vozila.

Medicinsko polje: Zaposlen u neinvazivnom snimanju i dijagnostici, kao što je optička koherentna tomografija (OCT), koja proizvodi slike tkiva visoke rezolucije.

Potrošačka elektronika: Integrirano u pametne telefone, tablete i prijenosna računala za značajke kao što su prepoznavanje lica, biometrijska autentifikacija i prepoznavanje gesta.

Dronovi:Koristi se za navigaciju, izbjegavanje sudara i rješavanje pitanja privatnosti i zrakoplovstva

Arhitektura TOF sustava

Tipični TOF sustav sastoji se od nekoliko ključnih komponenti za postizanje mjerenja udaljenosti kako je opisano:

· Odašiljač (Tx):To uključuje laserski izvor svjetlosti, uglavnom aVCSEL, pokretački sklop ASIC za pogon lasera i optičke komponente za kontrolu snopa kao što su kolimirajuće leće ili difrakcijski optički elementi i filtri.
· Prijemnik (Rx):Sastoji se od leća i filtara na prijemnom kraju, senzora kao što su CIS, SPAD ili SiPM ovisno o TOF sustavu i procesora signala slike (ISP) za obradu velikih količina podataka s čipa prijamnika.
·Upravljanje napajanjem:Upravljanje stajomkontrola struje za VCSEL i visokog napona za SPAD je ključna, zahtijeva robusno upravljanje napajanjem.
· Sloj softvera:To uključuje firmware, SDK, OS i aplikacijski sloj.

Arhitektura pokazuje kako laserska zraka, koja potječe iz VCSEL-a i modificirana optičkim komponentama, putuje kroz prostor, reflektira se od objekta i vraća u prijemnik. Izračun vremenskog odmaka u ovom procesu otkriva informacije o udaljenosti ili dubini. Međutim, ova arhitektura ne pokriva staze buke, kao što je buka izazvana sunčevom svjetlošću ili višestazna buka od refleksija, o kojima se govori kasnije u seriji.

Klasifikacija TOF sustava

TOF sustavi prvenstveno se kategoriziraju prema tehnikama mjerenja udaljenosti: izravni TOF (dTOF) i neizravni TOF (iTOF), svaki s različitim hardverskim i algoritamskim pristupima. Serija u početku ocrtava njihova načela prije nego što se upusti u komparativnu analizu njihovih prednosti, izazova i parametara sustava.

Unatoč naizgled jednostavnom principu TOF-a – emitiranje svjetlosnog impulsa i otkrivanje njegovog povratka radi izračuna udaljenosti – složenost leži u razlikovanju povratnog svjetla od ambijentalnog svjetla. To se rješava emitiranjem dovoljno jakog svjetla za postizanje visokog omjera signala i šuma i odabirom odgovarajućih valnih duljina kako bi se minimalizirale smetnje svjetla iz okoline. Drugi pristup je kodiranje emitiranog svjetla kako bi se moglo razlikovati nakon povratka, slično SOS signalima svjetiljkom.

Serija uspoređuje dTOF i iTOF, detaljno raspravlja o njihovim razlikama, prednostima i izazovima, te dalje kategorizira TOF sustave na temelju složenosti informacija koje pružaju, u rasponu od 1D TOF do 3D TOF.

dTOF

Izravni TOF izravno mjeri vrijeme leta fotona. Njegova ključna komponenta, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), dovoljno je osjetljiva da detektira pojedinačne fotone. dTOF koristi Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) za mjerenje vremena dolaska fotona, konstruirajući histogram za izvođenje najvjerojatnije udaljenosti na temelju najveće frekvencije određene vremenske razlike.

iTOF

Indirektni TOF izračunava vrijeme leta na temelju fazne razlike između emitiranih i primljenih valnih oblika, obično koristeći signale kontinuirane valne ili pulsne modulacije. iTOF može koristiti standardne arhitekture senzora slike, mjereći intenzitet svjetla tijekom vremena.

iTOF se dalje dijeli na kontinuiranu valnu modulaciju (CW-iTOF) i pulsnu modulaciju (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mjeri fazni pomak između emitiranih i primljenih sinusoidalnih valova, dok Pulsed-iTOF izračunava fazni pomak korištenjem pravokutnih signala.

Dodatna literatura:

Wikipedia. (nd). Vrijeme leta. Preuzeto sahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (vrijeme leta) | Uobičajena tehnologija senzora slike. Preuzeto sahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. veljače 2021.). Uvod u Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platforma. Preuzeto sahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023., 2. ožujka). Senzori vremena leta (TOF): detaljan pregled i primjene. Preuzeto sahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

S web stranicehttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

od autora : Chao Guang

Odricanje:

Ovime izjavljujemo da su neke od slika prikazanih na našoj web stranici prikupljene s interneta i Wikipedije, s ciljem promicanja obrazovanja i dijeljenja informacija. Poštujemo prava intelektualnog vlasništva svih kreatora. Korištenje ovih slika nije namijenjeno za komercijalnu dobit.

Ako smatrate da neki od korištenih sadržaja krši vaša autorska prava, kontaktirajte nas. Više smo nego voljni poduzeti odgovarajuće mjere, uključujući uklanjanje slika ili pružanje odgovarajuće atribucije, kako bismo osigurali usklađenost sa zakonima i propisima o intelektualnom vlasništvu. Naš cilj je održavati platformu koja je bogata sadržajem, poštena i poštuje prava intelektualnog vlasništva drugih.

Molimo kontaktirajte nas na sljedeću adresu e-pošte:sales@lumispot.cn. Obvezujemo se da ćemo odmah poduzeti radnje po primitku bilo kakve obavijesti i jamčimo 100% suradnju u rješavanju takvih problema.