Volg ons op sociale media voor snelle updates.
Deze serie is bedoeld om lezers een diepgaand en stapsgewijs begrip te geven van het Time of Flight (TOF)-systeem. De inhoud omvat een uitgebreid overzicht van TOF-systemen, inclusief gedetailleerde uitleg van zowel indirecte TOF (iTOF) als directe TOF (dTOF). Deze secties gaan dieper in op systeemparameters, hun voor- en nadelen en diverse algoritmen. Het artikel behandelt ook de verschillende componenten van TOF-systemen, zoals Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs), zend- en ontvangstlenzen, ontvangstsensoren zoals CIS, APD, SPAD, SiPM en drivercircuits zoals ASIC's.
Inleiding tot TOF (Time of Flight)
Basisprincipes
TOF, oftewel Time of Flight (vluchttijd), is een methode om afstand te meten door de tijd te berekenen die licht nodig heeft om een bepaalde afstand in een medium af te leggen. Dit principe wordt voornamelijk toegepast in optische TOF-scenario's en is relatief eenvoudig. Het proces begint met een lichtbron die een lichtbundel uitzendt, waarbij het tijdstip van uitzending wordt geregistreerd. Dit licht reflecteert vervolgens op een object, wordt opgevangen door een ontvanger en het tijdstip van ontvangst wordt genoteerd. Het verschil tussen deze tijden, aangeduid als t, bepaalt de afstand (d = lichtsnelheid (c) × t / 2).
Soorten ToF-sensoren
Er zijn twee hoofdtypen ToF-sensoren: optische en elektromagnetische. Optische ToF-sensoren, die het meest voorkomen, gebruiken lichtpulsen, meestal in het infraroodspectrum, voor afstandsmeting. Deze pulsen worden door de sensor uitgezonden, reflecteren op een object en keren terug naar de sensor, waar de reistijd wordt gemeten en gebruikt om de afstand te berekenen. Elektromagnetische ToF-sensoren daarentegen gebruiken elektromagnetische golven, zoals radar of lidar, om afstand te meten. Ze werken volgens een vergelijkbaar principe, maar gebruiken een ander medium.afstandsmeting.
Toepassingen van ToF-sensoren
ToF-sensoren zijn veelzijdig en worden in diverse vakgebieden toegepast:
Robotica:Gebruikt voor obstakeldetectie en navigatie. Robots zoals Roomba en Boston Dynamics' Atlas gebruiken bijvoorbeeld ToF-dieptecamera's om hun omgeving in kaart te brengen en bewegingen te plannen.
Beveiligingssystemen:Vaak gebruikt in bewegingssensoren voor het detecteren van indringers, het activeren van alarmen of het inschakelen van camerasystemen.
Automobielindustrie:Geïntegreerd in rijhulpsystemen voor adaptieve cruisecontrol en botsingspreventie, en steeds vaker te vinden in nieuwe automodellen.
Medisch vakgebied: Wordt gebruikt bij niet-invasieve beeldvorming en diagnostiek, zoals optische coherentietomografie (OCT), waarmee weefselbeelden met hoge resolutie worden geproduceerd.
ConsumentenelektronicaGeïntegreerd in smartphones, tablets en laptops voor functies zoals gezichtsherkenning, biometrische authenticatie en gebarenherkenning.
Drones:Gebruikt voor navigatie, het voorkomen van aanvaringen en het aanpakken van privacy- en luchtvaartvraagstukken.
TOF-systeemarchitectuur
Een typisch TOF-systeem bestaat uit verschillende belangrijke componenten om de beschreven afstandsmeting te realiseren:
· Zender (Tx):Dit omvat een laserlichtbron, voornamelijk eenVCSELeen drivercircuit-ASIC om de laser aan te sturen, en optische componenten voor straalcontrole, zoals collimatielenzen of diffractieve optische elementen, en filters.
· Ontvanger (Rx):Dit bestaat uit lenzen en filters aan de ontvangende kant, sensoren zoals CIS, SPAD of SiPM, afhankelijk van het TOF-systeem, en een beeldsignaalprocessor (ISP) voor het verwerken van grote hoeveelheden data van de ontvangende chip.
·Energiebeheer:Het beheren van een stabiele situatieStroomregeling voor VCSELs en hoogspanning voor SPADs is cruciaal en vereist robuust energiebeheer.
· Softwarelaag:Dit omvat firmware, SDK, besturingssysteem en applicatielaag.
De architectuur laat zien hoe een laserstraal, afkomstig van de VCSEL en gemodificeerd door optische componenten, door de ruimte reist, reflecteert op een object en terugkeert naar de ontvanger. De tijdsverloopberekening in dit proces onthult informatie over afstand of diepte. Deze architectuur houdt echter geen rekening met ruispaden, zoals ruis veroorzaakt door zonlicht of meerpadruis door reflecties, die later in deze reeks aan bod komen.
Classificatie van TOF-systemen
TOF-systemen worden hoofdzakelijk gecategoriseerd op basis van hun afstandsmeetmethoden: directe TOF (dTOF) en indirecte TOF (iTOF), elk met een eigen hardware- en algoritmische aanpak. Deze reeks beschrijft eerst de principes ervan, alvorens een vergelijkende analyse te geven van hun voordelen, uitdagingen en systeemparameters.
Ondanks het ogenschijnlijk eenvoudige principe van TOF – het uitzenden van een lichtpuls en het detecteren van de terugkeer ervan om de afstand te berekenen – schuilt de complexiteit in het onderscheiden van het terugkerende licht van omgevingslicht. Dit wordt aangepakt door voldoende helder licht uit te zenden om een hoge signaal-ruisverhouding te bereiken en door geschikte golflengten te selecteren om interferentie door omgevingslicht te minimaliseren. Een andere benadering is het coderen van het uitgezonden licht, zodat het bij terugkeer herkenbaar is, vergelijkbaar met SOS-signalen bij een zaklamp.
De serie vergelijkt vervolgens dTOF en iTOF, waarbij de verschillen, voordelen en uitdagingen in detail worden besproken. Daarnaast worden TOF-systemen gecategoriseerd op basis van de complexiteit van de informatie die ze leveren, van 1D TOF tot 3D TOF.
dTOF
Directe TOF meet rechtstreeks de vluchttijd van een foton. Het belangrijkste onderdeel, de Single Photon Avalanche Diode (SPAD), is gevoelig genoeg om individuele fotonen te detecteren. dTOF maakt gebruik van Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) om de aankomsttijd van fotonen te meten en een histogram te construeren om de meest waarschijnlijke afstand af te leiden op basis van de hoogste frequentie van een bepaald tijdsverschil.
iTOF
Indirecte TOF berekent de vluchttijd op basis van het faseverschil tussen uitgezonden en ontvangen golfvormen, meestal met behulp van continue golf- of pulsmodulatiesignalen. iTOF kan gebruikmaken van standaard beeldsensorarchitecturen en meet de lichtintensiteit over de tijd.
iTOF wordt verder onderverdeeld in continue golfmodulatie (CW-iTOF) en pulsmodulatie (Pulsed-iTOF). CW-iTOF meet het faseverschil tussen uitgezonden en ontvangen sinusgolven, terwijl Pulsed-iTOF het faseverschil berekent met behulp van blokgolfsignalen.
Verder lezen:
- Wikipedia. (z.d.). Vluchttijd. Geraadpleegd vanhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (z.d.). ToF (Time of Flight) | Gemeenschappelijke technologie voor beeldsensoren. Geraadpleegd vanhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021, 4 februari). Inleiding tot Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Geraadpleegd viahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 maart). Time of Flight (TOF)-sensoren: een diepgaand overzicht en toepassingen. Geraadpleegd viahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Van de webpaginahttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
van de auteur: Chao Guang
Vrijwaring:
Wij verklaren hierbij dat een deel van de afbeeldingen op onze website afkomstig is van internet en Wikipedia, met als doel het bevorderen van educatie en het delen van informatie. Wij respecteren de intellectuele eigendomsrechten van alle makers. Het gebruik van deze afbeeldingen is niet bedoeld voor commercieel gewin.
Als u van mening bent dat de gebruikte inhoud uw auteursrecht schendt, neem dan contact met ons op. We zijn graag bereid passende maatregelen te nemen, zoals het verwijderen van afbeeldingen of het correct vermelden van de bron, om te zorgen dat de wet- en regelgeving inzake intellectueel eigendom wordt nageleefd. Ons doel is een platform te bieden dat rijk is aan inhoud, eerlijk is en de intellectuele eigendomsrechten van anderen respecteert.
U kunt contact met ons opnemen via het volgende e-mailadres:sales@lumispot.cnWij verbinden ons ertoe onmiddellijk actie te ondernemen na ontvangst van een melding en garanderen 100% medewerking bij het oplossen van dergelijke problemen.
Geplaatst op: 18 december 2023