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

Hãy theo dõi chúng tôi trên mạng xã hội để nhận bài đăng nhanh chóng!

Loạt bài viết này nhằm mục đích cung cấp cho người đọc sự hiểu biết sâu sắc và từng bước về hệ thống Thời gian bay (TOF). Nội dung bao gồm tổng quan toàn diện về 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, và 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 truyền và nhận, 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 kịch bản TOF quang học và tương đối đơn giản. Quá trình này bao gồm một nguồn sáng phát ra một chùm tia sáng, và thời gian phát xạ được ghi lại. Ánh sáng này sau đó phản xạ từ một mục tiêu, được thu bởi một bộ thu, và thời gian thu được ghi lại. Sự khác biệt giữa các 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 nằm trong dải hồng ngoại, để đo khoảng cách. Các xung này được phát ra từ cảm biến, phản xạ từ vật thể và quay trở lại cảm biến, nơi 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 trên nguyên lý tương tự nhưng sử dụng môi trường khác nhau.đo khoảng cách.

Ứng dụng của cảm biến ToF

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

Người máy: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 lên kế hoạch di chuyển.

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

Ngành công nghiệp ô tô:Được tích hợp trong các hệ thống hỗ trợ người lái như điều khiển hành trình thích ứng và tránh va chạm, ngày càng phổ biến trong các mẫu xe mới.

Lĩnh vực y tếĐược 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 dùngĐược tích hợp vào điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy tính xách tay với các tính năng như nhận diện khuôn mặt, xác thực sinh trắc học và nhận diện cử chỉ.

Máy bay không người lái:Được sử dụng cho mục đích định vị, 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 đã mô tả:

· Máy phát (Tx):Điều này bao gồm một nguồn sáng laser, chủ yếu là mộtVCSELbao gồm một mạch điều khiển ASIC để điều khiển laser, và các linh kiện quang học để điều khiển chùm tia như thấu kính hội tụ hoặc các phần tử quang học nhiễu xạ, và các 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 một 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 hệ thống quản lý năng lượng mạnh mẽ.
· Lớp phần mềm:Điều này bao gồm phần mềm nhúng (firmware), bộ công cụ phát triển phần mềm (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 bộ thu. Phép tính theo thời gian trong quá trình này tiết lộ thông tin về khoảng cách hoặc độ sâu. Tuy nhiên, kiến trúc này không bao gồm các đường truyền nhiễu, chẳng hạn như nhiễu do ánh sáng mặt trời hoặc nhiễu đa đường do phản xạ, sẽ được thảo luận sau trong 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 loại có phần cứng và thuật toán riêng biệt. Loạt bài này ban đầu sẽ phác thảo các nguyên tắc của chúng trước khi đi sâu vào phân tích so sánh về ưu điểm, thách thức và thông số hệ thống.

Mặc dù nguyên lý của TOF (Time-of-Floating) có vẻ đơn giản – phát ra xung ánh sáng và thu nhận tín hiệu phản hồi để tính khoảng cách – nhưng sự phức tạp nằm ở việc phân biệt ánh sáng phản hồi với ánh sáng môi trường. Điều 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 thích hợp để giảm thiểu nhiễu ánh sáng môi trường. Một cách tiếp cận khác là mã hóa ánh sáng phát ra để làm cho nó có thể phân biệt được khi phản hồi, tương tự như tín hiệu SOS với đèn pin.

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

dTOF

Phương pháp đo thời gian bay trực tiếp (dTOF) đo trực tiếp thời gian bay của photon. Thành phần chính của nó, điốt thác photon đơn (SPAD), đủ nhạy để phát hiện các photon đơn lẻ. Phương pháp dTOF sử dụng phương pháp đếm photon đơn tương quan thời gian (TCSPC) để đo thời gian đến của photon, xây dựng biểu đồ tần suất để suy ra khoảng cách có khả năng nhất dựa trên tần suất cao nhất của một sự khác biệt thời gian cụ thể.

iTOF

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

iTOF được chia nhỏ hơn nữa 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 hình sin nhận được, trong khi Pulsed-iTOF tính toán độ lệch pha bằng cách sử dụng tín hiệu sóng vuông.

Đọc thêm:

Wikipedia. (không rõ năm). Thời gian bay. Truy cập từhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (không rõ năm). ToF (Time of Flight) | Công nghệ phổ biến của cảm biến hình ảnh. Truy cập từhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (Ngày 4 tháng 2 năm 2021). 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. (2 tháng 3 năm 2023). Cảm biến thời gian bay (TOF): Tổng quan chuyên sâu và các ứng dụng. Truy cập 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/

Tác giả: Chao Guang

Tuyên bố miễn trừ 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 các tác giả. Việc sử dụng những hình ảnh này không nhằm mục đích lợi nhuận thương mại.

Nếu bạn cho 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 cung cấp thông tin ghi nguồn chính xác, 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 qua địa chỉ email sau:sales@lumispot.cnChúng tôi cam kết sẽ 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.