Tin tức - Nguyên lý cơ bản và ứng dụng của Hệ thống TOF (Thời gian bay)

Đăng ký theo dõi mạng xã hội của chúng tôi để nhận bài đăng 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 tổng quan toàn diện về các hệ thống TOF, bao gồm giải thích chi tiết về cả TOF gián tiếp (iTOF) và TOF trực tiếp (dTOF). Các phần này đi sâu vào các thông 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 xạ bề mặt khoang thẳng đứng (VCSEL), thấu kính phát và thu, cảm biến thu như CIS, APD, SPAD, SiPM, và mạch điều khiển như ASIC.

Giới thiệu về TOF (Thời gian bay)

Nguyên tắc cơ bản

TOF, viết tắt của Time of Flight (Thời gian bay), là một phương pháp được sử dụng để đo khoảng cách bằng cách tính toán thời gian ánh sáng truyền đi một khoảng cách nhất định trong một môi trường. Nguyên lý này chủ yếu được áp dụng trong các trường hợp TOF quang học và tương đối đơn giản. Quá trình này bao gồm một nguồn sáng phát ra một chùm sáng, thời gian phát ra được ghi lại. Ánh sáng này sau đó phản xạ từ một mục tiêu, được thu bởi một máy thu, và thời gian thu được được ghi lại. Sự chênh lệch giữa hai khoảng thời gian này, được 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 học và điện từ. Cảm biến ToF quang học, phổ biến hơn, sử dụng các xung ánh sáng, thường trong phạm vi hồng ngoại, để đo khoảng cách. Các xung này được phát ra từ cảm biến, phản xạ từ vật thể và trở về cảm biến, tại đó thời gian di chuyển được đo và sử dụng để tính toán 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 lý tương tự nhưng sử dụng môi trường khác nhau để đo khoảng cách.đo 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:

Ngành robot:Được sử dụng để phát hiện và điều hướng chướng ngại vật. 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 di chuyển.

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.

Ngành công nghiệp ô tô:Được tích hợp vào các hệ thống hỗ trợ người lái để kiểm soát hành trình thích ứng và tránh va chạm, ngày càng 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 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 có 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 cho mục đích 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 thực hiện phép đo khoảng cách như mô tả:

· Máy phát (Tx):Điều này bao gồm một nguồn sáng laser, chủ yếu làVCSEL, mạch điều khiển ASIC để điều khiển tia laser và các thành phần quang học để điều khiển chùm tia như thấu kính hội tụ hoặc các thành phần quang học nhiễu xạ và bộ lọc.
· Bộ thu (Rx):Hệ thống này bao gồm các thấu kính và bộ lọc ở đầu thu, 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 chuồng trạikiểm soát dòng điện cho VCSEL và điện áp cao cho SPAD là rất quan trọng, đòi hỏi phải quản lý năng lượng mạnh mẽ.
· Lớp phần mềm:Bao gồm phần mềm cơ sở, SDK, hệ điều hành và lớp ứng dụng.

Kiến trúc này minh họa cách một chùm tia laser, xuất phát từ VCSEL và được điều chỉnh bởi các thành phần quang học, di chuyển trong không gian, phản xạ từ một vật thể và quay trở lại máy thu. Tính toán khoảng thời gian trong quá trình này cho thấy 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 từ phản xạ, những vấn đề này sẽ được thảo luận sau trong loạt bài này.

Phân loại hệ thống TOF

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

Mặc dù nguyên lý của TOF có vẻ đơn giản - phát ra xung ánh sáng và phát hiện phản hồi để tính toán khoảng cách - nhưng sự phức tạp nằm ở việc phân biệt ánh sáng phản hồi với ánh sáng môi trường. Vấn đề này được giải quyết bằng cách phát ra ánh sáng đủ mạnh để đạt được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao và lựa chọn bước sóng phù 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 phản hồi, tương tự như tín hiệu SOS của đèn pin.

Bài viết sẽ so sánh dTOF và iTOF, thảo luận chi tiết về sự khác biệt, ưu điểm và thách thức của chúng, đồng thời phân loại thêm các hệ thống TOF dựa trên độ phức tạp của thông tin mà chúng cung cấp, từ TOF 1D đến TOF 3D.

dTOF

TOF trực tiếp đo thời gian bay của photon. Linh kiện chính của nó, Điốt Lở Lở Đơn Photon (SPAD), đủ nhạy để phát hiện từng photon. dTOF sử dụng Đếm Đơn Photon Tương Quan Thời Gian (TCSPC) để đo thời gian đến của photon, xây dựng biểu đồ tần số để suy ra khoảng cách có khả năng xảy ra nhất dựa trên tần số cao nhất của một 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 thu 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 được chia thành điều chế sóng liên tục (CW-iTOF) và điều chế xung (Pulsed-iTOF). CW-iTOF đo độ lệch pha giữa sóng sin phát ra và sóng sin thu vào, trong khi Pulsed-iTOF tính toán độ lệch pha bằng tín hiệu sóng vuông.

Đọc thêm:

Wikipedia. (nd). Thời gian bay. Lấy từhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Tập đoàn Giải pháp Bán dẫn Sony. (nd). ToF (Thời gian bay) | Công nghệ phổ biến của Cảm biến hình ảnh. Lấy từhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, ngày 4 tháng 2). Giới thiệu về Microsoft Time Of Flight (ToF) - Nền tảng Azure Depth. Truy cập từhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-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-depth-overview-and-applications

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

của tác giả: Chao Guang

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm:

Chúng tôi xin cam đoan 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 các tác giả. Việc sử dụng những hình ảnh này không nhằm mục đích lợi nhuận thương mại.

Nếu bạn tin rằng bất kỳ nội dung nào được sử dụng vi phạm bản quyền của bạn, vui lòng liên hệ với chúng tôi. Chúng tôi sẵn sàng thực hiện các biện pháp thích hợp, bao gồm xóa hình ảnh hoặc ghi rõ nguồn, 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 phong phú về 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.cnChúng tôi cam kết sẽ hành động ngay khi nhận được bất kỳ thông báo nào và đảm bảo hợp tác 100% để giải quyết mọi vấn đề như vậy.