Abonneer u op onze sociale media voor snelle berichten
Deze serie is bedoeld om lezers een diepgaand en progressief inzicht te geven in het Time of Flight (TOF)-systeem. De inhoud omvat een uitgebreid overzicht van TOF-systemen, inclusief gedetailleerde uitleg over zowel indirecte TOF (iTOF) als directe TOF (dTOF). Deze secties gaan dieper in op systeemparameters, hun voor- en nadelen en verschillende algoritmen. Het artikel onderzoekt ook de verschillende componenten van TOF-systemen, zoals Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL's), transmissie- en ontvangstlenzen, ontvangstsensoren zoals CIS, APD, SPAD en SiPM, en drivercircuits zoals ASIC's.
Inleiding tot TOF (Time of Flight)
Basisprincipes
TOF, wat staat voor Time of Flight, 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 bestaat uit een lichtbron die een lichtbundel uitzendt, waarvan het tijdstip van emissie wordt geregistreerd. Dit licht reflecteert vervolgens op een doel, wordt opgevangen door een ontvanger en het tijdstip van ontvangst wordt genoteerd. Het verschil in deze tijden, aangeduid als t, bepaalt de afstand (d = lichtsnelheid (c) × t / 2).
Soorten ToF-sensoren
Er zijn twee primaire typen ToF-sensoren: optische en elektromagnetische. Optische ToF-sensoren, die het meest voorkomen, gebruiken lichtpulsen, meestal in het infraroodbereik, 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 voorafstandsmeting.
Toepassingen van ToF-sensoren
ToF-sensoren zijn veelzijdig en worden in verschillende toepassingsgebieden toegepast:
Robotica:Wordt gebruikt voor obstakeldetectie en navigatie. Robots zoals Roomba en Atlas van Boston Dynamics gebruiken bijvoorbeeld ToF-dieptecamera's om hun omgeving in kaart te brengen en bewegingen te plannen.
Beveiligingssystemen:Vaak worden deze sensoren gebruikt om indringers te detecteren, alarmen te activeren of camerasystemen te activeren.
Automobielindustrie:Geïntegreerd in rijassistentiesystemen voor adaptieve cruisecontrol en botsingsvermijding, en steeds gebruikelijker in nieuwe voertuigmodellen.
Medisch veld:Wordt gebruikt bij niet-invasieve beeldvorming en diagnostiek, zoals optische coherentietomografie (OCT), waarbij weefselbeelden met een hoge resolutie worden geproduceerd.
Consumentenelektronica: Geïntegreerd in smartphones, tablets en laptops voor functies zoals gezichtsherkenning, biometrische authenticatie en gebarenherkenning.
Drones:Wordt gebruikt voor navigatie, het vermijden van botsingen en bij het aanpakken van privacy- en luchtvaartproblemen.
TOF-systeemarchitectuur
Een typisch TOF-systeem bestaat uit verschillende hoofdcomponenten om de beschreven afstandsmeting te realiseren:
· Zender (Tx):Dit omvat een laserlichtbron, voornamelijk eenVCSEL, een driver circuit ASIC om de laser aan te sturen, en optische componenten voor de straalregeling, zoals collimatorlenzen 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 Image Signal Processor (ISP) voor het verwerken van grote hoeveelheden gegevens van de ontvangerchip.
·Energiebeheer:Stal beherenStroomregeling voor VCSEL's en hoge spanning voor SPAD's zijn cruciaal en vereisen een robuust energiebeheer.
· Softwarelaag:Dit omvat firmware, SDK, OS en applicatielaag.
De architectuur laat zien hoe een laserstraal, afkomstig van de VCSEL en gemodificeerd door optische componenten, zich door de ruimte voortplant, door een object wordt gereflecteerd en terugkeert naar de ontvanger. De time-lapse-berekening in dit proces geeft informatie over afstand of diepte. Deze architectuur houdt echter geen rekening met ruispaden, zoals door zonlicht veroorzaakte ruis of multipadruis door reflecties, die later in deze serie worden besproken.
Classificatie van TOF-systemen
TOF-systemen worden voornamelijk gecategoriseerd op basis van hun technieken voor afstandsmeting: directe TOF (dTOF) en indirecte TOF (iTOF), elk met een eigen hardware- en algoritmische aanpak. De serie beschrijft eerst hun principes en gaat vervolgens in op een vergelijkende analyse 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 het omgevingslicht. Dit wordt aangepakt door voldoende helder licht uit te zenden om een hoge signaal-ruisverhouding te bereiken en door geschikte golflengtes te selecteren om interferentie door omgevingslicht te minimaliseren. Een andere aanpak is om het uitgezonden licht te coderen zodat het bij terugkeer te onderscheiden is, vergelijkbaar met SOS-signalen met een zaklamp.
In deze serie worden dTOF en iTOF met elkaar vergeleken en worden de verschillen, voordelen en uitdagingen uitgebreid besproken. TOF-systemen worden vervolgens gecategoriseerd op basis van de complexiteit van de informatie die ze bieden, van 1D TOF tot 3D TOF.
dTOF
Directe TOF meet direct de vluchttijd van het 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 de fotonen te meten en maakt een histogram om de meest waarschijnlijke afstand af te leiden op basis van de hoogste frequentie van een bepaald tijdsverschil.
iTOF
Indirecte TOF berekent de vliegtijd op basis van het faseverschil tussen uitgezonden en ontvangen golfvormen, meestal met behulp van continue golf- of pulsmodulatiesignalen. iTOF kan standaard beeldsensorarchitecturen gebruiken en de lichtintensiteit in de loop van de tijd meten.
iTOF wordt verder onderverdeeld in continue golfmodulatie (CW-iTOF) en pulsmodulatie (Pulsed-iTOF). CW-iTOF meet de faseverschuiving tussen uitgezonden en ontvangen sinusgolven, terwijl Pulsed-iTOF de faseverschuiving berekent met behulp van blokgolfsignalen.
Verder lezen:
- Wikipedia. (nd). Tijd van de vlucht. Geraadpleegd vanhttps://nl.wikipedia.org/wiki/Tijd_van_vlucht
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Algemene technologie voor beeldsensoren. Geraadpleegd vanhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 februari 2021). Introductie tot Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Opgehaald vanhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/introductie tot microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 maart 2023). Time of Flight (TOF)-sensoren: een diepgaand overzicht en toepassingen. Geraadpleegd vanhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Vanaf de webpaginahttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
door de auteur: Chao Guang
Vrijwaring:
Wij verklaren hierbij dat sommige afbeeldingen op onze website afkomstig zijn van internet en Wikipedia, met als doel educatie en informatie-uitwisseling te bevorderen. 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 content uw auteursrecht schendt, neem dan contact met ons op. We nemen graag passende maatregelen, zoals het verwijderen van afbeeldingen of het verstrekken van correcte bronvermelding, om te voldoen aan de wet- en regelgeving inzake intellectueel eigendom. Ons doel is om een platform te onderhouden dat rijk is aan content, eerlijk is en de intellectuele eigendomsrechten van anderen respecteert.
Neem contact met ons op via het volgende e-mailadres:sales@lumispot.cnWij verbinden ons ertoe om onmiddellijk actie te ondernemen na ontvangst van een melding en garanderen 100% medewerking bij het oplossen van dergelijke problemen.
Plaatsingstijd: 18-12-2023