Noutăți - Principiul de bază și aplicarea sistemului TOF (Time of Flight).

Abonați-vă la rețelele noastre sociale pentru o postare promptă

Această serie își propune să ofere cititorilor o înțelegere aprofundată și progresivă a sistemului Time of Flight (TOF). Conținutul acoperă o prezentare cuprinzătoare a sistemelor TOF, inclusiv explicații detaliate atât pentru TOF indirect (iTOF) cât și pentru TOF direct (dTOF). Aceste secțiuni analizează parametrii sistemului, avantajele și dezavantajele acestora și diverși algoritmi. Articolul explorează, de asemenea, diferitele componente ale sistemelor TOF, cum ar fi laserele cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL), lentilele de transmisie și recepție, senzori de recepție precum CIS, APD, SPAD, SiPM și circuite de driver precum ASIC-urile.

Introducere în TOF (Time of Flight)

Principii de bază

TOF, de la Time of Flight, este o metodă folosită pentru a măsura distanța prin calcularea timpului necesar luminii pentru a parcurge o anumită distanță într-un mediu. Acest principiu este aplicat în primul rând în scenariile TOF optice și este relativ simplu. Procesul implică o sursă de lumină care emite un fascicul de lumină, cu timpul de emisie înregistrat. Această lumină se reflectă apoi asupra unei ținte, este capturată de un receptor și se notează momentul recepției. Diferența dintre acești timpi, notată cu t, determină distanța (d = viteza luminii (c) × t / 2).

Tipuri de senzori ToF

Există două tipuri principale de senzori ToF: optici și electromagnetici. Senzorii optici ToF, care sunt mai des întâlniți, utilizează impulsuri de lumină, de obicei în domeniul infraroșu, pentru măsurarea distanței. Aceste impulsuri sunt emise de senzor, reflectă un obiect și revin la senzor, unde timpul de călătorie este măsurat și utilizat pentru a calcula distanța. În schimb, senzorii electromagnetici ToF folosesc unde electromagnetice, cum ar fi radarul sau lidarul, pentru a măsura distanța. Ele funcționează pe un principiu similar, dar folosesc un mediu diferit pentrumăsurarea distanței.

Aplicații ale senzorilor ToF

Senzorii ToF sunt versatili și au fost integrați în diverse domenii:

Robotica:Folosit pentru detectarea obstacolelor și navigare. De exemplu, roboți precum Roomba și Atlas de la Boston Dynamics folosesc camere de adâncime ToF pentru cartografierea împrejurimilor și planificarea mișcărilor.

Sisteme de securitate:Senzori obișnuiți în mișcare pentru detectarea intrușilor, declanșarea alarmelor sau activarea sistemelor de camere.

Industria Auto:Încorporat în sistemele de asistență a șoferului pentru controlul adaptiv al vitezei de croazieră și evitarea coliziunilor, devenind din ce în ce mai răspândit la noile modele de vehicule.

Domeniul Medical: Utilizat în imagistică și diagnosticare non-invazivă, cum ar fi tomografia cu coerență optică (OCT), producând imagini tisulare de înaltă rezoluție.

Electronice de larg consum: Integrat în smartphone-uri, tablete și laptopuri pentru funcții precum recunoașterea facială, autentificarea biometrică și recunoașterea gesturilor.

Drones:Utilizat pentru navigare, evitarea coliziunilor și pentru a aborda problemele legate de confidențialitate și aviație

Arhitectura sistemului TOF

Un sistem TOF tipic constă din mai multe componente cheie pentru a realiza măsurarea distanței așa cum este descris:

· Transmițător (Tx):Aceasta include o sursă de lumină laser, în principal aVCSEL, un circuit de driver ASIC pentru a conduce laserul și componente optice pentru controlul fasciculului, cum ar fi lentile de colimare sau elemente optice difractive și filtre.
· Receptor (Rx):Acesta constă din lentile și filtre la capătul de recepție, senzori precum CIS, SPAD sau SiPM, în funcție de sistemul TOF și un procesor de semnal de imagine (ISP) pentru procesarea unor cantități mari de date de pe cipul receptor.
·Managementul energiei:Gestionarea stabilăcontrolul curentului pentru VCSEL și tensiunea înaltă pentru SPAD-uri este crucial, necesitând o gestionare robustă a puterii.
· Stratul software:Aceasta include firmware, SDK, sistemul de operare și stratul de aplicație.

Arhitectura demonstrează cum un fascicul laser, care provine din VCSEL și modificat de componente optice, călătorește prin spațiu, se reflectă asupra unui obiect și se întoarce la receptor. Calculul intervalului de timp în acest proces dezvăluie informații despre distanță sau adâncime. Cu toate acestea, această arhitectură nu acoperă căi de zgomot, cum ar fi zgomotul indus de lumina soarelui sau zgomotul cu mai multe căi de la reflexii, care sunt discutate mai târziu în serie.

Clasificarea sistemelor TOF

Sistemele TOF sunt clasificate în primul rând după tehnicile lor de măsurare a distanței: TOF direct (dTOF) și TOF indirect (iTOF), fiecare cu abordări hardware și algoritmice distincte. Seria își conturează inițial principiile înainte de a pătrunde într-o analiză comparativă a avantajelor, provocărilor și parametrilor sistemului.

În ciuda principiului aparent simplu al TOF – emiterea unui impuls de lumină și detectarea revenirii acestuia pentru a calcula distanța – complexitatea constă în diferențierea luminii care se întoarce de lumina ambientală. Acest lucru este abordat prin emiterea de lumină suficient de strălucitoare pentru a obține un raport semnal-zgomot ridicat și prin selectarea lungimilor de undă adecvate pentru a minimiza interferența luminii ambientale. O altă abordare este de a codifica lumina emisă pentru a o face distinsă la întoarcere, similar semnalelor SOS cu o lanternă.

Seria continuă să compare dTOF și iTOF, discutând diferențele, avantajele și provocările lor în detaliu și clasifică în continuare sistemele TOF pe baza complexității informațiilor pe care le oferă, variind de la TOF 1D la TOF 3D.

dTOF

Direct TOF măsoară direct timpul de zbor al fotonului. Componenta sa cheie, Single Photon Avalanche Diode (SPAD), este suficient de sensibilă pentru a detecta un singur fotoni. dTOF folosește Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) pentru a măsura timpul de sosire a fotonilor, construind o histogramă pentru a deduce distanța cea mai probabilă pe baza frecvenței celei mai mari a unei anumite diferențe de timp.

iTOF

TOF indirect calculează timpul de zbor pe baza diferenței de fază dintre formele de undă emise și recepționate, utilizând în mod obișnuit semnale de modulare a undă continuă sau impuls. iTOF poate folosi arhitecturi standard de senzori de imagine, măsurând intensitatea luminii în timp.

iTOF este subdivizat în continuare în modulare cu undă continuă (CW-iTOF) și modulare în impuls (Pulsed-iTOF). CW-iTOF măsoară defazajul dintre undele sinusoidale emise și recepționate, în timp ce Pulsed-iTOF calculează defazajul folosind semnale de unde pătrate.

Lectură ulterioară:

Wikipedia. (nd). Ora zborului. Preluat de lahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (ora de zbor) | Tehnologia comună a senzorilor de imagine. Preluat de lahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 februarie). Introducere în Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Preluat de lahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 martie). Senzori de timp de zbor (TOF): o privire de ansamblu aprofundată și aplicații. Preluat de lahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

De pe pagina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

de autor: Chao Guang

Disclaimer:

Prin prezenta declarăm că unele dintre imaginile afișate pe site-ul nostru sunt colectate de pe Internet și Wikipedia, cu scopul de a promova educația și schimbul de informații. Respectăm drepturile de proprietate intelectuală ale tuturor creatorilor. Utilizarea acestor imagini nu este destinată unui câștig comercial.

Dacă considerați că oricare dintre conținutul utilizat vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să ne contactați. Suntem mai mult decât dispuși să luăm măsurile adecvate, inclusiv eliminarea imaginilor sau acordarea unei atribuiri adecvate, pentru a asigura conformitatea cu legile și reglementările privind proprietatea intelectuală. Scopul nostru este să menținem o platformă bogată în conținut, corectă și care respectă drepturile de proprietate intelectuală ale altora.

Vă rugăm să ne contactați la următoarea adresă de e-mail:sales@lumispot.cn. Ne angajăm să luăm măsuri imediate la primirea oricărei notificări și să garantăm o cooperare de 100% în rezolvarea oricăror astfel de probleme.