ข่าว - หลักการพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ระบบ TOF (Time of Flight)

สมัครสมาชิกโซเชียลมีเดียของเราเพื่อโพสต์พร้อมท์

ซีรีส์นี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ผู้อ่านมีความเข้าใจเชิงลึกและก้าวหน้าเกี่ยวกับระบบ Time of Flight (TOF) เนื้อหาครอบคลุมภาพรวมที่ครอบคลุมของระบบ TOF รวมถึงคำอธิบายโดยละเอียดของทั้ง TOF ทางอ้อม (iTOF) และ TOF โดยตรง (dTOF) ส่วนเหล่านี้จะเจาะลึกพารามิเตอร์ของระบบ ข้อดีและข้อเสีย และอัลกอริธึมต่างๆ บทความนี้ยังสำรวจส่วนประกอบต่างๆ ของระบบ TOF เช่น Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) เลนส์ส่งและรับ เซ็นเซอร์รับ เช่น CIS, APD, SPAD, SiPM และวงจรไดรเวอร์ เช่น ASIC

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ TOF (เวลาบิน)

หลักการพื้นฐาน

TOF ย่อมาจาก Time of Flight เป็นวิธีที่ใช้ในการวัดระยะทางโดยการคำนวณเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางในระยะทางที่กำหนดในตัวกลาง หลักการนี้ใช้ในสถานการณ์ TOF แบบออปติคอลเป็นหลัก และค่อนข้างตรงไปตรงมา กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงที่เปล่งลำแสงออกมา โดยมีการบันทึกเวลาที่เปล่งแสงไว้ จากนั้นแสงนี้จะสะท้อนออกจากเป้าหมาย จากนั้นตัวรับสัญญาณจะจับภาพไว้ และเวลาที่รับจะถูกบันทึกไว้ ความแตกต่างในเวลานี้ซึ่งเขียนแทนด้วย t จะเป็นตัวกำหนดระยะทาง (d = ความเร็วแสง (c) × t / 2)

ประเภทของเซ็นเซอร์ ToF

เซ็นเซอร์ ToF มีสองประเภทหลัก: แบบออปติคอลและแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์ Optical ToF ซึ่งพบได้ทั่วไปมากกว่าจะใช้พัลส์แสง ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงอินฟราเรดในการวัดระยะทาง พัลส์เหล่านี้ถูกปล่อยออกมาจากเซ็นเซอร์ สะท้อนวัตถุ และกลับไปยังเซ็นเซอร์ ซึ่งเป็นที่ที่ใช้วัดระยะเวลาการเดินทางและใช้ในการคำนวณระยะทาง ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์ ToF แบบแม่เหล็กไฟฟ้าใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น เรดาร์หรือลิดาร์ ในการวัดระยะทาง พวกเขาทำงานบนหลักการเดียวกันแต่ใช้สื่อที่แตกต่างกันสำหรับการวัดระยะทาง.

การประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ ToF

เซ็นเซอร์ ToF มีความหลากหลายและถูกรวมเข้ากับสาขาต่างๆ:

วิทยาการหุ่นยนต์:ใช้สำหรับการตรวจจับสิ่งกีดขวางและการนำทาง ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์อย่าง Roomba และ Atlas ของ Boston Dynamics ใช้กล้องเชิงลึก ToF เพื่อทำแผนที่สภาพแวดล้อมและวางแผนการเคลื่อนไหว

ระบบรักษาความปลอดภัย:เซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวทั่วไปสำหรับตรวจจับผู้บุกรุก ส่งสัญญาณเตือนภัย หรือเปิดใช้งานระบบกล้อง

อุตสาหกรรมยานยนต์:รวมอยู่ในระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่สำหรับระบบควบคุมความเร็วคงที่แบบปรับได้และการหลีกเลี่ยงการชน ซึ่งแพร่หลายมากขึ้นในรถยนต์รุ่นใหม่

สาขาการแพทย์: ใช้ในการสร้างภาพและการวินิจฉัยแบบไม่รุกราน เช่น การถ่ายภาพเอกซเรย์การเชื่อมโยงกันด้วยแสง (OCT) เพื่อสร้างภาพเนื้อเยื่อที่มีความละเอียดสูง

เครื่องใช้ไฟฟ้า: ผสานรวมเข้ากับสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต และแล็ปท็อปสำหรับฟีเจอร์ต่างๆ เช่น การจดจำใบหน้า การรับรองความถูกต้องด้วยไบโอเมตริก และการจดจำท่าทาง

โดรน:ใช้สำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงการชน และในการจัดการกับข้อกังวลด้านความเป็นส่วนตัวและการบิน

สถาปัตยกรรมระบบ TOF

ระบบ TOF ทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบหลักหลายประการเพื่อให้ได้การวัดระยะทางตามที่อธิบายไว้:

· เครื่องส่ง (TX):ซึ่งรวมถึงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ ส่วนใหญ่เป็นกวีซีเซล, วงจรขับ ASIC เพื่อขับเคลื่อนเลเซอร์ และส่วนประกอบทางแสงสำหรับการควบคุมลำแสง เช่น เลนส์คอลลิเมตติ้งหรือองค์ประกอบทางแสงแบบเลี้ยวเบน และฟิลเตอร์
· ผู้รับ (Rx):ประกอบด้วยเลนส์และฟิลเตอร์ที่ปลายรับสัญญาณ เซ็นเซอร์ เช่น CIS, SPAD หรือ SiPM ขึ้นอยู่กับระบบ TOF และ Image Signal Processor (ISP) สำหรับการประมวลผลข้อมูลจำนวนมากจากชิปตัวรับ
·การจัดการพลังงาน:การจัดการที่มั่นคงการควบคุมกระแสไฟฟ้าสำหรับ VCSEL และแรงดันไฟฟ้าสูงสำหรับ SPAD ถือเป็นสิ่งสำคัญ โดยต้องมีการจัดการพลังงานที่แข็งแกร่ง
· เลเยอร์ซอฟต์แวร์:ซึ่งรวมถึงเฟิร์มแวร์, SDK, OS และเลเยอร์แอปพลิเคชัน

สถาปัตยกรรมนี้แสดงให้เห็นว่าลำแสงเลเซอร์ที่มีต้นกำเนิดจาก VCSEL และดัดแปลงโดยส่วนประกอบทางแสง เดินทางผ่านอวกาศ สะท้อนจากวัตถุ และกลับสู่เครื่องรับได้อย่างไร การคำนวณไทม์แลปส์ในกระบวนการนี้จะแสดงข้อมูลระยะทางหรือความลึก อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมนี้ไม่ครอบคลุมเส้นทางเสียง เช่น เสียงที่เกิดจากแสงแดด หรือเสียงหลายเส้นทางจากการสะท้อน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไปในชุดข้อมูลนี้

การจำแนกประเภทของระบบ TOF

ระบบ TOF ถูกจัดประเภทตามเทคนิคการวัดระยะทางเป็นหลัก ได้แก่ TOF โดยตรง (dTOF) และ TOF ทางอ้อม (iTOF) ซึ่งแต่ละระบบมีฮาร์ดแวร์และแนวทางอัลกอริทึมที่แตกต่างกัน ซีรีส์นี้ในช่วงแรกจะสรุปหลักการก่อนที่จะเจาะลึกการวิเคราะห์เปรียบเทียบถึงข้อดี ความท้าทาย และพารามิเตอร์ของระบบ

แม้ว่าหลักการของ TOF จะดูเหมือนเรียบง่าย นั่นคือการปล่อยพัลส์แสงและตรวจจับการกลับมาของแสงเพื่อคำนวณระยะทาง แต่ความซับซ้อนอยู่ที่การแยกความแตกต่างของแสงที่กลับมาจากแสงโดยรอบ ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยการเปล่งแสงที่สว่างเพียงพอเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนที่สูง และเลือกความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อลดการรบกวนของแสงในสิ่งแวดล้อมให้เหลือน้อยที่สุด อีกวิธีหนึ่งคือการเข้ารหัสแสงที่ปล่อยออกมาเพื่อให้แยกแยะได้เมื่อกลับมา คล้ายกับสัญญาณ SOS ด้วยไฟฉาย

ซีรีส์นี้ดำเนินไปเพื่อเปรียบเทียบ dTOF และ iTOF โดยอภิปรายการความแตกต่าง ข้อดี และความท้าทายโดยละเอียด และจัดหมวดหมู่ระบบ TOF เพิ่มเติมตามความซับซ้อนของข้อมูลที่ให้ ตั้งแต่ 1D TOF ถึง 3D TOF

ดีทีโอเอฟ

Direct TOF วัดเวลาบินของโฟตอนโดยตรง ส่วนประกอบหลักคือ Single Photon Avalanche Diode (SPAD) มีความไวเพียงพอที่จะตรวจจับโฟตอนเดี่ยวได้ dTOF ใช้การนับโฟตอนที่สัมพันธ์กันตามเวลา (TCSPC) เพื่อวัดเวลาที่โฟตอนมาถึง สร้างฮิสโตแกรมเพื่ออนุมานระยะทางที่เป็นไปได้มากที่สุดตามความถี่สูงสุดของความแตกต่างของเวลาหนึ่งๆ

iTOF

TOF ทางอ้อมคำนวณเวลาบินตามความแตกต่างของเฟสระหว่างรูปคลื่นที่ส่งและรับ โดยทั่วไปจะใช้คลื่นต่อเนื่องหรือสัญญาณมอดูเลชั่นพัลส์ iTOF สามารถใช้สถาปัตยกรรมเซ็นเซอร์รับภาพมาตรฐาน ซึ่งวัดความเข้มของแสงเมื่อเวลาผ่านไป

iTOF ยังแบ่งย่อยเพิ่มเติมอีกเป็นการปรับคลื่นต่อเนื่อง (CW-iTOF) และการปรับพัลส์ (Pulsed-iTOF) CW-iTOF วัดการเปลี่ยนเฟสระหว่างคลื่นไซน์ที่ปล่อยออกมาและคลื่นที่ได้รับ ในขณะที่ Pulsed-iTOF จะคำนวณการเปลี่ยนเฟสโดยใช้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม

การอ่านเพิ่มเติม:

วิกิพีเดีย (และ). เวลาบิน. สืบค้นจากhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
กลุ่มโซลูชั่นเซมิคอนดักเตอร์ของโซนี่ (และ). ToF (เวลาบิน) | เทคโนโลยีทั่วไปของเซ็นเซอร์รับภาพ สืบค้นจากhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
ไมโครซอฟต์ (2021, 4 กุมภาพันธ์) ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ Microsoft Time Of Flight (ToF) - แพลตฟอร์ม Azure Depth สืบค้นจากhttps://devblogs.microsoft.com/azure-deep-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
เอสคาเทค. (2023, 2 มีนาคม) เซ็นเซอร์ Time of Flight (TOF): ภาพรวมและการใช้งานเชิงลึก สืบค้นจากhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-deep-overview-and-applications

จากหน้าเว็บhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

โดยผู้เขียน : เจ้ากวง

ข้อสงวนสิทธิ์:

เราขอประกาศในที่นี้ว่ารูปภาพบางส่วนที่แสดงบนเว็บไซต์ของเรานั้นรวบรวมจากอินเทอร์เน็ตและวิกิพีเดีย โดยมีจุดประสงค์เพื่อส่งเสริมการศึกษาและการแบ่งปันข้อมูล เราเคารพสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้สร้างทุกคน การใช้ภาพเหล่านี้ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อผลประโยชน์ทางการค้า

หากคุณเชื่อว่าเนื้อหาใด ๆ ที่ใช้ละเมิดลิขสิทธิ์ของคุณ โปรดติดต่อเรา เราเต็มใจอย่างยิ่งที่จะใช้มาตรการที่เหมาะสม รวมถึงการลบรูปภาพหรือระบุแหล่งที่มาที่เหมาะสม เพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามกฎหมายและข้อบังคับด้านทรัพย์สินทางปัญญา เป้าหมายของเราคือการรักษาแพลตฟอร์มที่เต็มไปด้วยเนื้อหา ยุติธรรม และเคารพสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้อื่น

โปรดติดต่อเราตามที่อยู่อีเมลต่อไปนี้:sales@lumispot.cn- เรามุ่งมั่นที่จะดำเนินการทันทีเมื่อได้รับการแจ้งเตือนใดๆ และรับประกันความร่วมมือ 100% ในการแก้ไขปัญหาดังกล่าว