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

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

Sê-ri này nhằm cung cấp cho độc giả một sự hiểu biết chuyên sâu 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 và các thuật toán khác nhau. Bài báo cũng khám phá các thành phần khác nhau của các hệ thống TOF, chẳng hạn như laser phát ra bề mặt khoang dọc (VCSEL), ống kính truyền và tiếp nhận, nhận cảm biến như CIS, APD, SPAD, SIPM và các mạch lái xe như ASIC.

Giới thiệu về TOF (Thời gian bay)

Nguyên tắc cơ bản

TOF, đứng cho thời gian bay, là một phương pháp được sử dụng để đo khoảng cách bằng cách tính thời gian cần ánh sáng để di chuyển một khoảng cách nhất định trong một phương tiện. 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, với thời gian phát xạ được ghi lại. Ánh sáng này sau đó phản ánh một mục tiêu, được ghi lại bởi một người nhận và thời gian tiếp nhận được ghi nhận. Sự khác biệt trong 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. Các cảm biến TOF quang học, phổ biến hơn, sử dụng các xung ánh sáng, thường là trong phạm vi hồng ngoại, để đo khoảng cách. Các xung này được phát ra từ cảm biến, phản ánh một vật thể và quay trở lại cảm biến, trong đó thời gian di chuyển được đo và sử dụng để tính khoảng cách. Ngược lại, các cảm biến TOF điện từ sử dụng sóng điện từ, như radar hoặc lidar, để đo khoảng cách. Họ hoạt động theo một nguyên tắc tương tự nhưng sử dụng một phương tiện khác choĐo khoảng cách.

Ứng dụng của cảm biến TOF

Các cảm biến TOF rất linh hoạt và đã được tích hợp vào các lĩnh vực khác nhau:

Robotics: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 máy ảnh độ sâu TOF để lập bản đồ môi trường xung quanh và các phong trào lập kế hoạch.

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

Ngành công nghiệp ô tô:Được kết hợp trong các hệ thống hỗ trợ người lái để kiểm soát hành trình thích ứng và tránh va chạm, ngày càng trở nên phổ biến trong các mô hình xe mới.

Lĩnh vực y tế: Được sử dụng trong hình ảnh và chẩn đoán không xâm lấn, chẳng hạn như chụp cắt lớp kết hợp 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 cho 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 trong việc giải quyết các mối quan tâm 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 làVcsel, một mạch trình điều khiển ASIC để điều khiển laser và các thành phần quang học để điều khiển chùm tia như ống kính đối chiếu hoặc các yếu tố quang học nhiễu xạ và các bộ lọc.
· Người nhận (RX):Điều này bao gồm các ống 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 một lượng lớn dữ liệu từ chip máy thu.
·Quản lý điện:Quản lý ổn địnhKiểm soát hiện tại đối với VCSEL và điện áp cao cho SPAD là rất quan trọng, đòi hỏi phải quản lý năng lượng mạnh mẽ.
· Lớp phần mềm:Điều này bao gồm phần sụn, SDK, HĐH và lớp ứng dụng.

Kiến trúc cho thấy làm thế nào một chùm tia laser, có nguồn gốc từ VCSEL và được sửa đổi bởi các thành phần quang học, truyền qua không gian, phản ánh một vật thể và quay trở lại máy thu. Tính toán thời gian trong quá trình này cho thấy thông tin khoảng cách hoặc độ sâu. Tuy nhiên, kiến trúc này không bao gồm các đường dẫn tiếng ồn, chẳng hạn như tiếng ồn do ánh sáng mặt trời hoặc tiếng ồn đa đường từ các phản xạ, được thảo luận sau trong loạt bài.

Phân loại hệ thống TOF

Các hệ thống TOF chủ yếu được phân loại theo các kỹ thuật đo khoảng cách của chúng: TOF trực tiếp (DTOF) và TOF gián tiếp (ITOF), mỗi người có các phương pháp phần cứng và thuật toán riêng biệt. Sê -ri ban đầu phác thảo các nguyên tắc của họ trước khi đi sâu vào một phân tích so sánh các lợi thế, thách thức và các tham số hệ thống của họ.

Mặc dù nguyên tắc có vẻ đơn giản của TOF - phát ra một xung ánh sáng và phát hiện sự trở lại của nó để tính khoảng cách - sự phức tạp nằm trong việc phân biệt ánh sáng trở lại với ánh sáng xung quanh. Điều này được giải quyết bằng cách phát ra ánh sáng đủ sáng để đạt được tỷ lệ nhiễu tín hiệu cao và chọn các 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 trở lại, tương tự như tín hiệu SOS với đèn pin.

Sê -ri tiến hành so sánh DTOF và ITOF, thảo luận chi tiết về sự khác biệt, lợi thế và thách thức của chúng và phân loại thêm các hệ thống TOF dựa trên sự phức tạp của thông tin mà họ cung cấp, từ 1D TOF đến 3D TOF.

DTOF

TOF trực tiếp đo trực tiếp thời gian bay của photon. Thành phần chính của nó, Diode Avalanche DIODE (SPAD) đơn, đủ nhạy để phát hiện các photon đơn. DTOF sử dụng thời gian đếm đơn tương quan (TCSPC) để đo thời gian đến của photon, xây dựng biểu đồ để suy ra khoảng cách có khả năng 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 sự khác biệt pha giữa các dạng sóng phát thải và nhận, thường sử dụng tín hiệu điều chế sóng 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 nhỏ thành điều chế sóng liên tục (CW-ITOF) và điều chế xung (xung-ITOF). CW-ITOF đo sự dịch pha giữa sóng phát sáng và nhận được sóng hình sin, trong khi xung-ITOF tính toán sự dịch pha bằng tín hiệu sóng vuông.

Đọc xa hơn:

Wikipedia. (ND). Thời gian bay. Lấy từhttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
Nhóm giải pháp bán dẫn Sony. (ND). TOF (Thời gian bay) | Công nghệ chung của cảm biến hình ảnh. Lấy từhttps://www.sony-semicon.com/en/technology/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-depth-platform/intro-to-microsoft-of-flight-tof
Escatec. (2023, ngày 2 tháng 3). Cảm biến thời gian bay (TOF): Tổng quan và ứng dụng chuyên sâu. Lấy từhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and- applations

Từ trang webhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/

Tác giả: Chao Guang

Tuyên bố từ chối trách nhiệm:

Chúng tôi tuyên bố rằng một số hình ảnh được 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 những người sáng tạo. Việc sử dụng những hình ảnh này không dành cho lợi ích thương mại.

Nếu bạn tin 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 sẵn sàng thực hiện các biện pháp phù hợp, bao gồm loại bỏ hình ảnh hoặc cung cấp sự quy kết đúng đắn, để đảm bảo tuân thủ luật pháp và quy định 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 tại 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 100% hợp tác trong việc giải quyết bất kỳ vấn đề nào như vậy.