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Sta seria hà per scopu di furnisce à i lettori una cunniscenza approfondita è progressiva di u sistema Time of Flight (TOF). U cuntenutu copre una panoramica cumpleta di i sistemi TOF, cumprese spiegazioni dettagliate sia di u TOF indirettu (iTOF) sia di u TOF direttu (dTOF). Queste sezioni approfondiscenu i parametri di u sistema, i so vantaghji è svantaghji, è vari algoritmi. L'articulu esplora ancu i diversi cumpunenti di i sistemi TOF, cum'è i laser à emissione superficiale à cavità verticale (VCSEL), lenti di trasmissione è ricezione, sensori di ricezione cum'è CIS, APD, SPAD, SiPM, è circuiti di driver cum'è ASIC.
Introduzione à u TOF (Tempu di Volu)
Principii Basi
TOF, chì significa Tempu di Volu, hè un metudu adupratu per misurà a distanza calculendu u tempu chì ci vole à a luce per viaghjà una certa distanza in un mezu. Stu principiu hè applicatu principalmente in scenarii TOF ottici è hè relativamente simplice. U prucessu implica una fonte luminosa chì emette un fasciu di luce, cù u tempu di emissione registratu. Sta luce si riflette tandu nantu à un bersagliu, hè catturata da un ricevitore, è u tempu di ricezione hè nutatu. A differenza trà sti tempi, indicata cum'è t, determina a distanza (d = velocità di a luce (c) × t / 2).
Tipi di sensori ToF
Ci sò dui tipi principali di sensori ToF: ottici è elettromagnetichi. I sensori ToF ottici, chì sò più cumuni, utilizanu impulsi di luce, tipicamente in a gamma infrarossa, per a misurazione di a distanza. Quessi impulsi sò emessi da u sensore, si riflettenu da un ughjettu è tornanu à u sensore, induve u tempu di viaghju hè misuratu è utilizatu per calculà a distanza. In cuntrastu, i sensori ToF elettromagnetichi utilizanu onde elettromagnetiche, cum'è radar o lidar, per misurà a distanza. Operanu secondu un principiu simile, ma utilizanu un mezu diversu per...misurazione di distanza.
Applicazioni di i sensori ToF
I sensori ToF sò versatili è sò stati integrati in diversi campi:
Robotica:Adupratu per a rilevazione di l'ostaculi è a navigazione. Per esempiu, i robot cum'è Roomba è Atlas di Boston Dynamics utilizanu camere di prufundità ToF per mappà i so dintorni è pianificà i movimenti.
Sistemi di Sicurezza:Cumunu in i sensori di muvimentu per rilevà intrusi, attivà allarmi o attivà sistemi di telecamere.
Industria automobilistica:Incorporatu in i sistemi d'assistenza à a guida per u cuntrollu di velocità adattivu è l'evità di collisioni, diventendu sempre più prevalente in i novi mudelli di veiculi.
Campu MedicuImpiegatu in l'imaghjini è a diagnostica non invasiva, cum'è a tomografia à coerenza ottica (OCT), chì produce immagini di tessuti ad alta risoluzione.
Elettronica di cunsumuIntegratu in smartphones, tablette è laptop per funzioni cum'è u ricunniscimentu faciale, l'autentificazione biometrica è u ricunniscimentu di gesti.
Droni:Adupratu per a navigazione, l'evità di collisioni è per risponde à e preoccupazioni relative à a privacy è l'aviazione.
Architettura di u Sistema TOF
Un sistema TOF tipicu hè custituitu da parechji cumpunenti chjave per ottene a misurazione di a distanza cum'è descritta:
· Trasmettitore (Tx):Questu include una fonte di luce laser, principalmente unaVCSEL, un circuitu di pilotaggio ASIC per pilotà u laser, è cumpunenti ottici per u cuntrollu di u fasciu cum'è lenti di collimazione o elementi ottici diffrattivi, è filtri.
· Ricevitore (Rx):Questu hè custituitu da lenti è filtri à l'estremità ricevente, sensori cum'è CIS, SPAD, o SiPM secondu u sistema TOF, è un Processore di Signale d'Imagine (ISP) per u trattamentu di grandi quantità di dati da u chip ricevitore.
·Gestione di l'energia:Gestione di a stallaU cuntrollu di a corrente per i VCSEL è l'alta tensione per i SPAD hè cruciale, chì richiede una gestione robusta di l'alimentazione.
· Stratu di Software:Questu include u firmware, u SDK, u sistema operativu è u stratu di l'applicazione.
L'architettura dimostra cumu un raghju laser, chì vene da u VCSEL è hè mudificatu da cumpunenti ottici, viaghja per u spaziu, si riflette nantu à un ughjettu è torna à u ricevitore. U calculu di u lapse di tempu in questu prucessu revela l'infurmazioni di distanza o di prufundità. Tuttavia, sta architettura ùn copre micca i percorsi di rumore, cum'è u rumore induttu da a luce solare o u rumore multi-percorsu da e riflessioni, chì sò discussi più tardi in a serie.
Classificazione di i Sistemi TOF
I sistemi TOF sò principalmente classificati per e so tecniche di misurazione di a distanza: TOF direttu (dTOF) è TOF indirettu (iTOF), ognuna cù approcci hardware è algoritmichi distinti. A serie descrive inizialmente i so principii prima di approccià in un'analisi comparativa di i so vantaghji, sfide è parametri di sistema.
Malgradu u principiu apparentemente simplice di TOF - emette un impulsu di luce è rilevà u so ritornu per calculà a distanza - a cumplessità stà in a differenziazione di a luce di ritornu da a luce ambientale. Questu hè affrontatu emettendu una luce abbastanza luminosa per ottene un altu rapportu segnale-rumore è selezziunendu lunghezze d'onda adatte per minimizà l'interferenza di a luce ambientale. Un altru approcciu hè di codificà a luce emessa per rende la distinguibile à u ritornu, simile à i signali SOS cù una torcia.
A seria procede à paragunà dTOF è iTOF, discutendu in dettagliu e so differenze, vantaghji è sfide, è categurizza ancu i sistemi TOF secondu a cumplessità di l'infurmazioni chì furniscenu, da TOF 1D à TOF 3D.
dTOF
Direct TOF misura direttamente u tempu di volu di u fotone. U so cumpunente chjave, u Single Photon Avalanche Diode (SPAD), hè abbastanza sensibile per rilevà i singoli fotoni. dTOF impiega u Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) per misurà u tempu di l'arrivu di i fotoni, custruendu un istogramma per deduce a distanza più prubabile basata annantu à a frequenza più alta di una differenza di tempu particulare.
iTOF
U TOF indirettu calcula u tempu di volu basatu annantu à a differenza di fase trà e forme d'onda emesse è ricevute, cumunemente aduprendu signali di modulazione d'onda cuntinua o d'impulsu. iTOF pò aduprà architetture di sensori d'immagine standard, misurendu l'intensità di a luce in u tempu.
L'iTOF hè ancu suddivisu in modulazione d'onda cuntinua (CW-iTOF) è modulazione d'impulsi (Pulsed-iTOF). CW-iTOF misura u sfasamentu di fase trà l'onde sinusoidali emesse è ricevute, mentre chì Pulsed-iTOF calcula u sfasamentu di fase utilizendu signali d'onda quadra.
Ulteriori letture:
- Wikipedia. (nd). Ora di volu. Ritruvatu dahttps://en.wikipedia.org/wiki/Tempu_di_volu
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Tempu di Volu) | Tecnulugia Cumuna di i Sensori d'Immagine. Ritruvatu dahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 di ferraghju 2021). Introduzione à Microsoft Time Of Flight (ToF) - Piattaforma di prufundità Azure. Ritruvatu dahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 di marzu di u 2023). Sensori di tempu di volu (TOF): Una panoramica approfondita è applicazioni. Ritruvatu dahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Da a pagina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
di l'autore: Chao Guang
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Data di publicazione: 18 dicembre 2023