Навіны - Асноўны прынцып і прымяненне сістэмы TOF (час палёту)

Падпішыцеся на нашы сацыяльныя сеткі для аператыўных публікацый

Гэтая серыя артыкулаў мае на мэце даць чытачам паглыбленае і прагрэсіўнае разуменне сістэмы часу пралёту (TOF). Змест ахоплівае поўны агляд сістэм TOF, у тым ліку падрабязныя тлумачэнні як ускоснага TOF (iTOF), так і прамога TOF (dTOF). У гэтых раздзелах паглыбляецца ў параметры сістэмы, іх перавагі і недахопы, а таксама розныя алгарытмы. У артыкуле таксама разглядаюцца розныя кампаненты сістэм TOF, такія як лазеры з вертыкальным рэзанатарам паверхні (VCSEL), перадавальныя і прыёмныя лінзы, прыёмныя датчыкі, такія як CIS, APD, SPAD, SiPM, і схемы драйвераў, такія як ASIC.

Уводзіны ў TOF (час палёту)

Асноўныя прынцыпы

TOF, што расшыфроўваецца як час палёту (Time of Flight) — гэта метад вымярэння адлегласці шляхам разліку часу, неабходнага святлу для праходжання пэўнай адлегласці ў асяроддзі. Гэты прынцып у асноўным ужываецца ў аптычных сцэнарах TOF і з'яўляецца адносна простым. Працэс уключае крыніцу святла, якая выпраменьвае прамень святла, прычым фіксуецца час выпраменьвання. Затым гэта святло адлюстроўваецца ад мэты, фіксуецца прыёмнікам, і фіксуецца час прыёму. Розніца паміж гэтымі часамі, якая пазначаецца як t, вызначае адлегласць (d = хуткасць святла (c) × t / 2).

Тыпы датчыкаў ToF

Існуе два асноўныя тыпы датчыкаў ToF: аптычныя і электрамагнітныя. Аптычныя датчыкі ToF, якія з'яўляюцца больш распаўсюджанымі, выкарыстоўваюць светлавыя імпульсы, звычайна ў інфрачырвоным дыяпазоне, для вымярэння адлегласці. Гэтыя імпульсы выпраменьваюцца датчыкам, адлюстроўваюцца ад аб'екта і вяртаюцца да датчыка, дзе вымяраецца час праходжання і выкарыстоўваецца для разліку адлегласці. У адрозненне ад гэтага, электрамагнітныя датчыкі ToF выкарыстоўваюць электрамагнітныя хвалі, такія як радар або лідар, для вымярэння адлегласці. Яны працуюць па падобным прынцыпе, але выкарыстоўваюць іншае асяроддзе для...вымярэнне адлегласці.

Прымяненне датчыкаў ToF

Датчыкі ToF універсальныя і інтэграваныя ў розныя галіны:

Робататэхніка:Выкарыстоўваецца для выяўлення перашкод і навігацыі. Напрыклад, такія робаты, як Roomba і Atlas ад Boston Dynamics, выкарыстоўваюць камеры глыбіні ToF для картаграфавання наваколля і планавання рухаў.

Сістэмы бяспекі:Распаўсюджана ў датчыках руху для выяўлення зламыснікаў, спрацоўвання сігналізацыі або актывацыі сістэм камер.

Аўтамабільная прамысловасць:Уключаецца ў сістэмы дапамогі кіроўцу для адаптыўнага круіз-кантролю і прадухілення сутыкненняў, і становіцца ўсё больш распаўсюджаным у новых мадэлях аўтамабіляў.

Медыцынская галінаВыкарыстоўваецца ў неінвазіўнай візуалізацыі і дыягностыцы, такіх як аптычная кагерэнтная тамаграфія (АКТ), для атрымання малюнкаў тканін з высокім разрозненнем.

Бытавая электронікаІнтэграваны ў смартфоны, планшэты і ноўтбукі для такіх функцый, як распазнаванне твараў, біяметрычная аўтэнтыфікацыя і распазнаванне жэстаў.

Дроны:Выкарыстоўваецца для навігацыі, пазбягання сутыкненняў, а таксама для вырашэння праблем прыватнасці і авіяцыі.

Архітэктура сістэмы TOF

Тыповая сістэма TOF складаецца з некалькіх ключавых кампанентаў для дасягнення вымярэння адлегласці, як апісана:

· Перадатчык (Tx):Гэта ўключае ў сябе лазерную крыніцу святла, галоўным чынамVCSEL, схему кіравання ASIC для кіравання лазерам і аптычныя кампаненты для кіравання праменем, такія як каліматорныя лінзы або дыфракцыйныя аптычныя элементы, і фільтры.
· Прыёмнік (Rx):Гэта складаецца з лінзаў і фільтраў на прыёмным канцы, датчыкаў, такіх як CIS, SPAD або SiPM у залежнасці ад сістэмы TOF, і працэсара сігналаў выявы (ISP) для апрацоўкі вялікіх аб'ёмаў дадзеных з чыпа прыёмніка.
·Кіраванне харчаваннем:Кіраванне стабільнасцюКантроль току для VCSEL і высокага напружання для SPAD мае вырашальнае значэнне, што патрабуе надзейнага кіравання харчаваннем.
· Праграмны ўзровень:Гэта ўключае ў сябе прашыўку, SDK, аперацыйную сістэму і ўзровень прыкладання.

Архітэктура дэманструе, як лазерны прамень, які паходзіць ад VCSEL і мадыфікаваны аптычнымі кампанентамі, праходзіць праз прастору, адбіваецца ад аб'екта і вяртаецца да прыёмніка. Разлік пакадравай здымкі ў гэтым працэсе дае інфармацыю аб адлегласці або глыбіні. Аднак гэтая архітэктура не ўлічвае шумавыя шляхі, такія як шум, выкліканы сонечным святлом, або шматшляховы шум ад адлюстраванняў, якія абмяркоўваюцца пазней у серыі.

Класіфікацыя сістэм TOF

Сістэмы TOF у асноўным класіфікуюцца па метадах вымярэння адлегласці: прамы TOF (dTOF) і ўскосны TOF (iTOF), кожная з якіх мае розныя апаратныя і алгарытмічныя падыходы. У серыі спачатку апісаны іх прынцыпы, а затым паглыблены ў параўнальны аналіз іх пераваг, праблем і параметраў сістэмы.

Нягледзячы на, здавалася б, просты прынцып часовага функцыянавання (TOF) — выпраменьванне светлавога імпульсу і выяўленне яго вяртання для вылічэння адлегласці, — складанасць заключаецца ў адрозненні вяртанага святла ад навакольнага святла. Гэта вырашаецца шляхам выпраменьвання дастаткова яркага святла для дасягнення высокага суадносін сігнал/шум і выбару адпаведных даўжынь хваль для мінімізацыі перашкод ад навакольнага святла. Іншы падыход заключаецца ў кадаванні выпраменьванага святла, каб зрабіць яго адрозным пры вяртанні, падобна сігналам SOS з дапамогай ліхтарыка.

У серыі артыкулаў параўноўваюцца dTOF і iTOF, падрабязна абмяркоўваюцца іх адрозненні, перавагі і праблемы, а таксама класіфікуюцца сістэмы TOF у залежнасці ад складанасці інфармацыі, якую яны прадстаўляюць, пачынаючы ад 1D TOF і заканчваючы 3D TOF.

dTOF

Прамы TOF непасрэдна вымярае час пралёту фатона. Яго ключавы кампанент, лавінны дыёд для аднаго фатона (SPAD), дастаткова адчувальны, каб выяўляць адзінкавыя фатоны. dTOF выкарыстоўвае карэляваны з часам падлік адзінкавых фатонаў (TCSPC) для вымярэння часу прыбыцця фатонаў, будуючы гістаграму для вызначэння найбольш верагоднай адлегласці на аснове найвышэйшай частаты пэўнай рознасці ў часе.

іТОФ

Ускосны TOF разлічвае час палёту на аснове рознасці фаз паміж выпраменьванымі і прынятымі сігналамі, звычайна выкарыстоўваючы сігналы бесперапыннай хвалі або імпульснай мадуляцыі. iTOF можа выкарыстоўваць стандартныя архітэктуры датчыкаў выявы, вымяраючы інтэнсіўнасць святла з цягам часу.

iTOF далей падпадзяляецца на мадуляцыю бесперапыннай хвалі (CW-iTOF) і імпульсную мадуляцыю (Pulsed-iTOF). CW-iTOF вымярае зрух фазы паміж выпраменьванымі і прынятымі сінусоіднымі хвалямі, у той час як Pulsed-iTOF вылічвае зрух фазы з выкарыстаннем сігналаў прастакутнай хвалі.

Дадатковае чытанне:

Вікіпедыя. (й). Час палёту. Атрымана зhttps://en.wikipedia.org/wiki/Час_палёту
Sony Semiconductor Solutions Group. (й). ToF (час палёту) | Агульная тэхналогія датчыкаў выявы. Атрымана зhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 лютага 2021 г.). Уводзіны ў Microsoft Time Of Flight (ToF) — платформа глыбіні Azure. Атрымана зhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 сакавіка 2023 г.). Датчыкі часу пралёту (TOF): падрабязны агляд і прымяненне. Атрымана зhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

З вэб-старонкіhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

аўтар: Чао Гуан

Адмова ад адказнасці:

Мы тым самым заяўляем, што некаторыя выявы, размешчаныя на нашым сайце, сабраны з Інтэрнэту і Вікіпедыі з мэтай садзейнічання адукацыі і абмену інфармацыяй. Мы паважаем правы інтэлектуальнай уласнасці ўсіх аўтараў. Выкарыстанне гэтых выяў не мае на мэце камерцыйную выгаду.

Калі вы лічыце, што які-небудзь з выкарыстаных матэрыялаў парушае вашы аўтарскія правы, звяжыцеся з намі. Мы больш чым гатовыя прыняць адпаведныя меры, у тым ліку выдаліць выявы або правільна пазначыць аўтара, каб забяспечыць выкананне законаў і правілаў аб інтэлектуальнай уласнасці. Наша мэта — падтрымліваць платформу, багатую кантэнтам, справядлівую і паважаючую правы інтэлектуальнай уласнасці іншых.

Калі ласка, звяжыцеся з намі па наступным адрасе электроннай пошты:sales@lumispot.cnМы абавязуемся неадкладна прымаць меры пасля атрымання любога паведамлення і гарантуем 100% супрацоўніцтва ў вырашэнні любых такіх праблем.