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Questa serie mira a fornire ai lettori una comprensione approfondita e progressiva del sistema di tempo di volo (TOF). Il contenuto copre una panoramica completa dei sistemi TOF, comprese spiegazioni dettagliate sia del TOF indiretto (ITOF) che del TOF diretto (DTOF). Queste sezioni approfondiscono i parametri del sistema, i loro vantaggi e svantaggi e vari algoritmi. L'articolo esplora anche i diversi componenti dei sistemi TOF, come i laser a emissione della superficie della cavità verticale (VCSEL), lenti di trasmissione e ricezione, ricevere sensori come CIS, APD, SPAD, SIPM e circuiti di conducente come gli ASIC.
Introduzione a TOF (tempo di volo)
Principi di base
TOF, in piedi per il tempo di volo, è un metodo utilizzato per misurare la distanza calcolando il tempo impiegato dalla luce per percorrere una certa distanza in un mezzo. Questo principio è applicato principalmente negli scenari ottici TOF ed è relativamente semplice. Il processo prevede una fonte di luce che emette un raggio di luce, con il tempo di emissione registrato. Questa luce si riflette quindi su un bersaglio, viene catturata da un ricevitore e viene notato il tempo di ricezione. La differenza in questi tempi, indicata come T, determina la distanza (d = velocità della luce (c) × t / 2).
Tipi di sensori TOF
Esistono due tipi primari di sensori TOF: ottico ed elettromagnetico. I sensori TOF ottici, che sono più comuni, utilizzano impulsi di luce, in genere nell'intervallo a infrarossi, per la misurazione della distanza. Questi impulsi vengono emessi dal sensore, riflettono su un oggetto e tornano al sensore, in cui il tempo di viaggio viene misurato e utilizzato per calcolare la distanza. Al contrario, i sensori TOF elettromagnetici usano onde elettromagnetiche, come il radar o il lidar, per misurare la distanza. Operano su un principio simile ma usano un mezzo diverso permisurazione della distanza.
Applicazioni di sensori TOF
I sensori TOF sono versatili e sono stati integrati in vari campi:
Robotica:Utilizzato per il rilevamento e la navigazione degli ostacoli. Ad esempio, gli atlas di Roomba e Boston Dynamics impiegano telecamere di profondità TOF per mappare l'ambiente circostante e pianificare i movimenti.
Sistemi di sicurezza:Sensori comuni di movimento per rilevare intrusi, attivare allarmi o attivare i sistemi di telecamere.
Industria automobilistica:Incorporati nei sistemi di assistenza del conducente per il controllo della velocità di velocità adattivo e l'evitamento delle collisioni, diventando sempre più diffuso nei nuovi modelli di veicoli.
Campo medico: Impiegato in imaging e diagnostica non invasivi, come la tomografia a coerenza ottica (OCT), producendo immagini di tessuto ad alta risoluzione.
Elettronica di consumo: Integrato in smartphone, tablet e laptop per funzionalità come il riconoscimento facciale, l'autenticazione biometrica e il riconoscimento dei gesti.
Droni:Utilizzato per la navigazione, l'evitamento delle collisioni e per affrontare i problemi di privacy e aviazione
Architettura del sistema TOF
Un tipico sistema TOF è costituito da diversi componenti chiave per ottenere la misurazione della distanza come descritto:
· Trasmettitore (TX):Questo include una fonte di luce laser, principalmente aVcsel, un circuito del driver ASIC per guidare il laser e componenti ottici per il controllo del raggio come lenti collimatiche o elementi ottici diffrattivi e filtri.
· Ricevitore (RX):Questo consiste in lenti e filtri all'estremità ricevente, sensori come CIS, SPAD o SIPM a seconda del sistema TOF e un processore del segnale di immagine (ISP) per l'elaborazione di grandi quantità di dati dal chip del ricevitore.
·Gestione del potere:Gestione stabileIl controllo corrente per VCSel e l'alta tensione per gli SPAD sono cruciali, che richiedono una robusta gestione dell'alimentazione.
· Livello del software:Ciò include firmware, SDK, sistema operativo e livello dell'applicazione.
L'architettura dimostra come un raggio laser, proveniente dal VCSEL e modificato da componenti ottici, viaggia attraverso lo spazio, riflette su un oggetto e ritorni al ricevitore. Il calcolo del lasso di tempo in questo processo rivela informazioni sulla distanza o sulla profondità. Tuttavia, questa architettura non copre i percorsi di rumore, come il rumore indotto dalla luce solare o il rumore multi-percorso dai riflessi, che sono discussi più avanti nella serie.
Classificazione dei sistemi TOF
I sistemi TOF sono principalmente classificati in base alle loro tecniche di misurazione della distanza: TOF diretto (DTOF) e TOF indiretto (ITOF), ciascuno con hardware distinti e approcci algoritmici. La serie inizialmente delinea i loro principi prima di approfondire un'analisi comparativa dei loro vantaggi, sfide e parametri di sistema.
Nonostante il principio apparentemente semplice di TOF, emettendo un impulso di luce e rileva il suo ritorno per calcolare la distanza - la complessità sta nel differenziare la luce di ritorno dalla luce ambientale. Ciò è affrontato emettendo una luce sufficientemente brillante per ottenere un rapporto segnale-rumore elevato e selezionando lunghezze d'onda appropriate per ridurre al minimo l'interferenza della luce ambientale. Un altro approccio è quello di codificare la luce emessa per renderla distinguibile al ritorno, simile ai segnali SOS con una torcia.
La serie procede a confrontare DTOF e ITOF, discutendo in dettaglio le loro differenze, vantaggi e sfide e classifica ulteriormente i sistemi TOF in base alla complessità delle informazioni che forniscono, che vanno dal 1D TOF a TOF 3D.
dtof
Direct TOF misura direttamente il tempo di volo del fotone. Il suo componente chiave, il diodo per valanghe per fotoni singoli (SPAD), è abbastanza sensibile da rilevare singoli fotoni. DTOF impiega il conteggio dei singoli fotoni correlati nel tempo (TCSPC) per misurare il tempo degli arrivi di fotoni, costruendo un istogramma per dedurre la distanza più probabile in base alla più alta frequenza di una particolare differenza di tempo.
iTof
Il TOF indiretto calcola il tempo di volo in base alla differenza di fase tra forme d'onda emettete e ricevute, utilizzando comunemente segnali di modulazione a onde o impulsi continue. ITOF può utilizzare architetture standard del sensore di immagine, misurando l'intensità della luce nel tempo.
L'ITOF è ulteriormente suddiviso in modulazione a onde continua (CW-Itof) e modulazione dell'impulso (Itof pulsato). CW-Itof misura lo spostamento di fase tra le onde sinusoidali emettete e ricevute, mentre Pulsated-Itof calcola lo sfasamento usando segnali di onde quadrate.
Lettura più fuga:
- Wikipedia. (ND). Tempo di volo. Recuperato dahttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (ND). TOF (ora del volo) | Tecnologia comune dei sensori di immagine. Recuperato dahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021, 4 febbraio). Introduzione a Microsoft Time of Flight (TOF) - Piattaforma di profondità di Azure. Recuperato dahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft time-of flight-tof
- Escatec. (2023, 2 marzo). Sensori di tempo di volo (TOF): una panoramica e applicazioni approfondite. Recuperato dahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Dalla pagina webhttps://faster-than-ight.net/tofsystem_c1/
dall'autore: Chao Guang
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Tempo post: dicembre 18-2023