Abonneer u op onze sociale media voor snelle berichten
Deze serie is bedoeld om lezers een diepgaand en vooruitstrevend inzicht te geven in 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). In deze secties wordt dieper ingegaan 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, SiPM en drivercircuits zoals ASIC's.
Inleiding tot TOF (vluchttijd)
Basisprincipes
TOF, wat staat voor Time of Flight, is een methode die wordt gebruikt 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. Bij het proces wordt een lichtbron gebruikt die een lichtstraal uitzendt, waarbij het tijdstip van de 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: optisch en elektromagnetisch. Optische ToF-sensoren, die vaker 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 gebruiken daarentegen elektromagnetische golven, zoals radar of lidar, om afstand te meten. Ze werken volgens een soortgelijk principe, maar gebruiken daarvoor een ander mediumafstandsmeting.
Toepassingen van ToF-sensoren
ToF-sensoren zijn veelzijdig en zijn in verschillende domeinen geïntegreerd:
Robotica: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 gebruikt in bewegingssensoren voor het detecteren van indringers, het activeren van alarmen of het activeren van camerasystemen.
Auto-industrie:Ingebouwd in rijhulpsystemen voor adaptieve cruisecontrol en het vermijden van botsingen, die steeds vaker voorkomen in nieuwe voertuigmodellen.
Medisch veld: Werkzaam in niet-invasieve beeldvorming en diagnostiek, zoals optische coherentietomografie (OCT), waarbij weefselbeelden met hoge resolutie worden geproduceerd.
Consumentenelektronica: Geïntegreerd in smartphones, tablets en laptops voor functies zoals gezichtsherkenning, biometrische authenticatie en gebarenherkenning.
Drones:Gebruikt voor navigatie, het vermijden van botsingen en bij het aanpakken van privacy- en luchtvaartproblemen
TOF-systeemarchitectuur
Een typisch TOF-systeem bestaat uit verschillende belangrijke componenten om de beschreven afstandsmeting te realiseren:
· Zender (Tx):Dit omvat een laserlichtbron, voornamelijk aVCSEL, een stuurcircuit ASIC om de laser aan te sturen, en optische componenten voor straalcontrole zoals collimerende lenzen of diffractieve optische elementen, en filters.
· Ontvanger (Rx):Deze 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:Stabiel beherenstroomregeling voor VCSEL's en hoogspanning voor SPAD's zijn van cruciaal belang en vereisen een robuust energiebeheer.
· Softwarelaag:Dit omvat firmware, SDK, besturingssysteem en applicatielaag.
De architectuur laat zien hoe een laserstraal, afkomstig van de VCSEL en aangepast door optische componenten, door de ruimte reist, reflecteert op een object en terugkeert naar de ontvanger. De tijdsverloopberekening in dit proces onthult afstands- of diepte-informatie. Deze architectuur dekt echter geen ruispaden, zoals door zonlicht veroorzaakte ruis of meerpadsruis door reflecties, die later in de serie worden besproken.
Classificatie van TOF-systemen
TOF-systemen worden voornamelijk gecategoriseerd op basis van hun afstandsmeettechnieken: directe TOF (dTOF) en indirecte TOF (iTOF), elk met verschillende hardware- en algoritmische benaderingen. De serie schetst eerst hun principes voordat ze zich verdiept in 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 – ligt 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 golflengten te selecteren om interferentie van omgevingslicht te minimaliseren. Een andere benadering is om het uitgezonden licht te coderen, zodat het bij terugkomst onderscheidbaar is, vergelijkbaar met SOS-signalen met een zaklamp.
De serie gaat verder met het vergelijken van dTOF en iTOF, waarbij hun verschillen, voordelen en uitdagingen in detail worden besproken, en categoriseert TOF-systemen verder op basis van de complexiteit van de informatie die ze bieden, variërend van 1D TOF tot 3D TOF.
dTOF
Direct TOF meet rechtstreeks de vliegtijd van het foton. Het belangrijkste onderdeel ervan, de Single Photon Avalanche Diode (SPAD), is gevoelig genoeg om afzonderlijke fotonen te detecteren. dTOF maakt gebruik van Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) om het tijdstip van aankomst van fotonen te meten, waarbij een histogram wordt samengesteld 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, waarbij gewoonlijk gebruik wordt gemaakt van continue golf- of pulsmodulatiesignalen. iTOF kan standaard beeldsensorarchitecturen gebruiken en de lichtintensiteit in de loop van de tijd meten.
iTOF is verder onderverdeeld in continue golfmodulatie (CW-iTOF) en pulsmodulatie (Pulsed-iTOF). CW-iTOF meet de faseverschuiving tussen uitgezonden en ontvangen sinusoïdale golven, terwijl Pulsed-iTOF de faseverschuiving berekent met behulp van blokgolfsignalen.
Verder lezen:
- Wikipedia. (nd). Tijd van de vlucht. Opgehaald vanhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions-groep. (nd). ToF (vluchttijd) | Gemeenschappelijke technologie van beeldsensoren. Opgehaald vanhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021, 4 februari). Inleiding tot Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Opgehaald vanhttps://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. Opgehaald vanhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in- depth-overview-and-applications
Van de webpaginahttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
door de auteur: Chao Guang
Vrijwaring:
Wij verklaren hierbij dat sommige van de op onze website weergegeven afbeeldingen afkomstig zijn 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 meer dan bereid om passende maatregelen te nemen, waaronder het verwijderen van afbeeldingen of het verstrekken van de juiste bronvermelding, om ervoor te zorgen dat de wet- en regelgeving op het gebied van intellectueel eigendom wordt nageleefd. Ons doel is om een platform te behouden dat rijk is aan inhoud, eerlijk is en de intellectuele eigendomsrechten van anderen respecteert.
Neem dan contact met ons op via het volgende e-mailadres:sales@lumispot.cn. Wij verbinden ons ertoe onmiddellijk actie te ondernemen na ontvangst van een melding en garanderen 100% medewerking bij het oplossen van dergelijke problemen.
Posttijd: 18 december 2023