Tin tức - Nguyên lý cơ bản và ứng dụng của hệ thống TOF(Time of Flight)

Đăng ký phương tiện truyền thông xã hội của chúng tôi để đăng bài nhanh chóng

Loạt bài này nhằm mục đích cung cấp cho độc giả sự hiểu biết sâu sắc và tiến bộ về hệ thống Thời gian bay (TOF). Nội dung bao gồm một cái nhìn tổng quan toàn diện về các hệ thống TOF, bao gồm các giải thích chi tiết về cả TOF gián tiếp (iTOF) và TOF trực tiếp (dTOF). Các phần này đi sâu vào các tham số hệ thống, ưu điểm và nhược điểm của chúng cũng như các thuật toán khác nhau. Bài viết cũng khám phá các thành phần khác nhau của hệ thống TOF, chẳng hạn như Laser phát ra bề mặt khoang dọc (VCSEL), thấu kính truyền và nhận, cảm biến thu như CIS, APD, SPAD, SiPM và các mạch điều khiển như ASIC.

Giới thiệu về TOF (Thời gian bay)

Nguyên tắc cơ bản

TOF, viết tắt của Time of Flight, là một phương pháp được sử dụng để đo khoảng cách bằng cách tính thời gian để ánh sáng truyền đi một khoảng cách nhất định trong môi trường. Nguyên tắc này chủ yếu được áp dụng trong các kịch bản TOF quang học và tương đối đơn giản. Quá trình này bao gồm một nguồn sáng phát ra một chùm ánh sáng và ghi lại thời gian phát ra. Ánh sáng này sau đó phản chiếu mục tiêu, được máy thu bắt giữ và thời gian tiếp nhận được ghi lại. Sự chênh lệch trong những thời điểm này, ký hiệu là t, xác định khoảng cách (d = tốc độ ánh sáng (c) × t / 2).

Các loại cảm biến ToF

Có hai loại cảm biến ToF chính: quang và điện từ. Cảm biến ToF quang, phổ biến hơn, sử dụng các xung ánh sáng, thường ở dải hồng ngoại, để đo khoảng cách. Các xung này được phát ra từ cảm biến, phản xạ khỏi một vật thể và quay trở lại cảm biến, nơi đo thời gian di chuyển và sử dụng để tính khoảng cách. Ngược lại, cảm biến ToF điện từ sử dụng sóng điện từ, như radar hoặc lidar, để đo khoảng cách. Chúng hoạt động theo nguyên tắc tương tự nhưng sử dụng một phương tiện khác đểđo khoảng cách.

Ứng dụng của cảm biến ToF

Cảm biến ToF rất linh hoạt và đã được tích hợp vào nhiều lĩnh vực khác nhau:

Robot:Được sử dụng để phát hiện chướng ngại vật và điều hướng. Ví dụ: các robot như Roomba và Atlas của Boston Dynamics sử dụng camera độ sâu ToF để lập bản đồ môi trường xung quanh và lập kế hoạch chuyển động.

Hệ thống an ninh:Phổ biến trong các cảm biến chuyển động để phát hiện kẻ xâm nhập, kích hoạt báo động hoặc kích hoạt hệ thống camera.

Công nghiệp ô tô:Được tích hợp trong các hệ thống hỗ trợ người lái để kiểm soát hành trình thích ứng và tránh va chạm, hệ thống này ngày càng trở nên phổ biến trên các mẫu xe mới.

Lĩnh vực y tế: Được sử dụng trong chẩn đoán và hình ảnh không xâm lấn, chẳng hạn như chụp cắt lớp mạch lạc quang học (OCT), tạo ra hình ảnh mô có độ phân giải cao.

Điện tử tiêu dùng: Được tích hợp vào điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy tính xách tay để cung cấp các tính năng như nhận dạng khuôn mặt, xác thực sinh trắc học và nhận dạng cử chỉ.

Máy bay không người lái:Được sử dụng để điều hướng, tránh va chạm và giải quyết các vấn đề về quyền riêng tư và hàng không

Kiến trúc hệ thống TOF

Một hệ thống TOF điển hình bao gồm một số thành phần chính để đạt được phép đo khoảng cách như mô tả:

· Máy phát (Tx):Điều này bao gồm một nguồn ánh sáng laser, chủ yếu là mộtVCSEL, mạch điều khiển ASIC để điều khiển tia laser và các bộ phận quang học để điều khiển chùm tia như thấu kính chuẩn trực hoặc các bộ phận quang học nhiễu xạ và bộ lọc.
· Bộ thu (Rx):Điều này bao gồm các thấu kính và bộ lọc ở đầu nhận, các cảm biến như CIS, SPAD hoặc SiPM tùy thuộc vào hệ thống TOF và Bộ xử lý tín hiệu hình ảnh (ISP) để xử lý lượng lớn dữ liệu từ chip thu.
·Quản lý năng lượng:Quản lý ổn địnhViệc kiểm soát dòng điện cho VCSEL và điện áp cao cho SPAD là rất quan trọng, đòi hỏi phải quản lý nguồn điện hiệu quả.
· Lớp phần mềm:Điều này bao gồm phần sụn, SDK, hệ điều hành và lớp ứng dụng.

Kiến trúc thể hiện cách một chùm tia laser, bắt nguồn từ VCSEL và được sửa đổi bởi các thành phần quang học, truyền qua không gian, phản xạ khỏi một vật thể và quay trở lại máy thu. Việc tính toán khoảng cách thời gian trong quá trình này sẽ tiết lộ thông tin về khoảng cách hoặc độ sâu. Tuy nhiên, kiến trúc này không bao gồm các đường nhiễu, chẳng hạn như nhiễu do ánh sáng mặt trời gây ra hoặc nhiễu đa đường do phản xạ, những vấn đề này sẽ được thảo luận ở phần sau của loạt bài này.

Phân loại hệ thống TOF

Các hệ thống TOF chủ yếu được phân loại theo kỹ thuật đo khoảng cách: TOF trực tiếp (dTOF) và TOF gián tiếp (iTOF), mỗi hệ thống có các cách tiếp cận thuật toán và phần cứng riêng biệt. Loạt bài này ban đầu phác thảo các nguyên tắc của chúng trước khi đi sâu vào phân tích so sánh về lợi thế, thách thức và các thông số hệ thống của chúng.

Bất chấp nguyên lý có vẻ đơn giản của TOF – phát ra xung ánh sáng và phát hiện sự quay trở lại của nó để tính toán khoảng cách – sự phức tạp nằm ở việc phân biệt ánh sáng phản xạ với ánh sáng xung quanh. Vấn đề này được giải quyết bằng cách phát ra ánh sáng đủ sáng để đạt được tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao và chọn bước sóng thích hợp để giảm thiểu nhiễu ánh sáng môi trường. Một cách tiếp cận khác là mã hóa ánh sáng phát ra để có thể phân biệt được khi quay trở lại, tương tự như tín hiệu SOS bằng đèn pin.

Loạt bài này tiến hành so sánh dTOF và iTOF, thảo luận chi tiết về sự khác biệt, ưu điểm và thách thức của chúng, đồng thời phân loại sâu hơn các hệ thống TOF dựa trên mức độ phức tạp của thông tin mà chúng cung cấp, từ TOF 1D đến TOF 3D.

dTOF

TOF trực tiếp đo trực tiếp thời gian bay của photon. Thành phần chính của nó, Điốt Avalanche Single Photon (SPAD), đủ nhạy để phát hiện các photon đơn lẻ. dTOF sử dụng Phương pháp đếm photon đơn tương quan thời gian (TCSPC) để đo thời gian các photon đến, xây dựng biểu đồ để suy ra khoảng cách có khả năng xảy ra nhất dựa trên tần số cao nhất của chênh lệch thời gian cụ thể.

iTOF

TOF gián tiếp tính toán thời gian bay dựa trên độ lệch pha giữa dạng sóng phát ra và nhận được, thường sử dụng tín hiệu điều chế xung hoặc sóng liên tục. iTOF có thể sử dụng kiến trúc cảm biến hình ảnh tiêu chuẩn, đo cường độ ánh sáng theo thời gian.

iTOF còn được chia thành điều chế sóng liên tục (CW-iTOF) và điều chế xung (Pulsed-iTOF). CW-iTOF đo độ lệch pha giữa sóng hình sin phát ra và sóng nhận, trong khi Pulsed-iTOF tính toán độ lệch pha bằng tín hiệu sóng vuông.

Đọc thêm:

Wikipedia. (thứ). Thời gian bay. Lấy từhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Nhóm giải pháp bán dẫn Sony. (thứ). ToF (Thời gian bay) | Công nghệ chung của cảm biến hình ảnh. Lấy từhttps://www.sony-semiaon.com/en/technologists/tof
Microsoft. (2021, ngày 4 tháng 2). Giới thiệu về Microsoft Time Of Flight (ToF) - Nền tảng độ sâu Azure. Lấy từhttps://devblogs.microsoft.com/azure-deep-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, ngày 2 tháng 3). Cảm biến thời gian bay (TOF): Tổng quan chuyên sâu và ứng dụng. Lấy từhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-deep-overview-and-applications

Từ trang webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

của tác giả: Chao Quang

Tuyên bố từ chối trách nhiệm:

Chúng tôi xin tuyên bố rằng một số hình ảnh hiển thị trên trang web của chúng tôi được thu thập từ Internet và Wikipedia, với mục đích thúc đẩy giáo dục và chia sẻ thông tin. Chúng tôi tôn trọng quyền sở hữu trí tuệ của tất cả người sáng tạo. Việc sử dụng những hình ảnh này không nhằm mục đích thu lợi thương mại.

Nếu bạn cho rằng bất kỳ nội dung nào được sử dụng đều vi phạm bản quyền của bạn, vui lòng liên hệ với chúng tôi. Chúng tôi rất sẵn lòng thực hiện các biện pháp thích hợp, bao gồm xóa hình ảnh hoặc cung cấp thông tin ghi nhận phù hợp, để đảm bảo tuân thủ luật và quy định về sở hữu trí tuệ. Mục tiêu của chúng tôi là duy trì một nền tảng giàu nội dung, công bằng và tôn trọng quyền sở hữu trí tuệ của người khác.

Vui lòng liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ email sau:sales@lumispot.cn. Chúng tôi cam kết thực hiện hành động ngay lập tức khi nhận được bất kỳ thông báo nào và đảm bảo hợp tác 100% trong việc giải quyết mọi vấn đề như vậy.