ติดตามเราบนโซเชียลมีเดียเพื่อรับข่าวสารทันที
ชุดบทความนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ผู้อ่านมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งและต่อเนื่องเกี่ยวกับระบบ Time of Flight (TOF) เนื้อหาครอบคลุมภาพรวมที่ครอบคลุมของระบบ TOF รวมถึงคำอธิบายโดยละเอียดทั้ง TOF ทางอ้อม (iTOF) และ TOF โดยตรง (dTOF) ส่วนต่างๆ เหล่านี้จะเจาะลึกถึงพารามิเตอร์ของระบบ ข้อดีและข้อเสีย และอัลกอริธึมต่างๆ บทความนี้ยังสำรวจส่วนประกอบต่างๆ ของระบบ TOF เช่น เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL) เลนส์ส่งและรับสัญญาณ เซ็นเซอร์รับสัญญาณ เช่น CIS, APD, SPAD, SiPM และวงจรขับ เช่น ASIC
บทนำเกี่ยวกับ TOF (Time of Flight)
หลักการพื้นฐาน
TOF หรือ Time of Flight คือวิธีการวัดระยะทางโดยคำนวณเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางในระยะทางที่กำหนดในตัวกลาง หลักการนี้ส่วนใหญ่ใช้ในสถานการณ์ TOF ทางแสงและค่อนข้างตรงไปตรงมา กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงที่ปล่อยลำแสงออกมา โดยบันทึกเวลาที่ปล่อยออกมา จากนั้นแสงจะสะท้อนจากเป้าหมาย ถูกจับโดยตัวรับ และบันทึกเวลาที่รับได้ ความแตกต่างของเวลาเหล่านี้ ซึ่งแทนด้วย t จะกำหนดระยะทาง (d = ความเร็วแสง (c) × t / 2)
ประเภทของเซ็นเซอร์ ToF
เซ็นเซอร์ ToF มีสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบออปติคอลและแบบแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์ ToF แบบออปติคอล ซึ่งพบได้ทั่วไปมากกว่า ใช้พัลส์แสง โดยทั่วไปอยู่ในช่วงอินฟราเรด สำหรับการวัดระยะทาง พัลส์เหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาจากเซ็นเซอร์ สะท้อนจากวัตถุ และกลับมายังเซ็นเซอร์ ซึ่งจะทำการวัดเวลาในการเดินทางและใช้ในการคำนวณระยะทาง ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์ ToF แบบแม่เหล็กไฟฟ้าใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น เรดาร์หรือไลดาร์ ในการวัดระยะทาง หลักการทำงานคล้ายกัน แต่ใช้ตัวกลางที่แตกต่างกันในการวัดการวัดระยะทาง.
การประยุกต์ใช้งานเซ็นเซอร์ ToF
เซ็นเซอร์ ToF มีความอเนกประสงค์และถูกนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา:
วิทยาการหุ่นยนต์:ใช้สำหรับการตรวจจับสิ่งกีดขวางและการนำทาง ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์อย่าง Roomba และ Atlas ของ Boston Dynamics ใช้กล้องวัดความลึกแบบ ToF เพื่อสร้างแผนที่สภาพแวดล้อมและวางแผนการเคลื่อนที่
ระบบรักษาความปลอดภัย:พบได้ทั่วไปในเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหว สำหรับตรวจจับผู้บุกรุก ส่งสัญญาณเตือน หรือเปิดใช้งานระบบกล้องวงจรปิด
อุตสาหกรรมยานยนต์:มีการนำมาใช้ในระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ เช่น ระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติแบบปรับได้ และระบบป้องกันการชน ซึ่งกำลังเป็นที่แพร่หลายมากขึ้นในรถยนต์รุ่นใหม่ๆ
สาขาการแพทย์นำไปใช้ในการสร้างภาพและการวินิจฉัยโรคแบบไม่รุกราน เช่น การถ่ายภาพด้วยคลื่นแสงความละเอียดสูง (Optical Coherence Tomography: OCT) เพื่อสร้างภาพเนื้อเยื่อที่มีความละเอียดสูง
เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภค: ผสานรวมเข้ากับสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต และแล็ปท็อป เพื่อใช้งานฟีเจอร์ต่างๆ เช่น การจดจำใบหน้า การตรวจสอบตัวตนด้วยไบโอเมตริก และการจดจำท่าทาง
โดรน:ใช้สำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงการชน และการแก้ไขปัญหาด้านความเป็นส่วนตัวและการบิน
สถาปัตยกรรมระบบ TOF
ระบบ TOF ทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบหลักหลายอย่างเพื่อให้สามารถวัดระยะทางได้ตามที่อธิบายไว้:
· เครื่องส่งสัญญาณ (Tx):ซึ่งรวมถึงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ โดยหลักๆ แล้วคือ...วีซีเอสเอลรวมถึงวงจรขับเลเซอร์แบบ ASIC และส่วนประกอบทางแสงสำหรับควบคุมลำแสง เช่น เลนส์ปรับลำแสง หรือองค์ประกอบทางแสงแบบกระจายแสง และตัวกรอง
· ตัวรับสัญญาณ (Rx):ระบบนี้ประกอบด้วยเลนส์และฟิลเตอร์ที่ฝั่งรับสัญญาณ เซ็นเซอร์ เช่น CIS, SPAD หรือ SiPM ขึ้นอยู่กับระบบ TOF และตัวประมวลผลสัญญาณภาพ (ISP) สำหรับประมวลผลข้อมูลจำนวนมากจากชิปรับสัญญาณ
·การจัดการพลังงาน:การจัดการอย่างมีเสถียรภาพการควบคุมกระแสไฟฟ้าสำหรับ VCSEL และแรงดันไฟฟ้าสูงสำหรับ SPAD เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง จึงจำเป็นต้องมีการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพ
· ชั้นซอฟต์แวร์:ซึ่งรวมถึงเฟิร์มแวร์, SDK, ระบบปฏิบัติการ และเลเยอร์แอปพลิเคชัน
สถาปัตยกรรมนี้แสดงให้เห็นว่าลำแสงเลเซอร์ที่กำเนิดจาก VCSEL และได้รับการปรับเปลี่ยนโดยส่วนประกอบทางแสง เดินทางผ่านอวกาศ สะท้อนจากวัตถุ และกลับมายังตัวรับ การคำนวณช่วงเวลาในกระบวนการนี้จะเปิดเผยข้อมูลระยะทางหรือความลึก อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมนี้ไม่ได้ครอบคลุมเส้นทางของสัญญาณรบกวน เช่น สัญญาณรบกวนที่เกิดจากแสงแดด หรือสัญญาณรบกวนหลายเส้นทางจากการสะท้อน ซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลังในชุดบทความนี้
การจำแนกประเภทของระบบ TOF
ระบบ TOF แบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลักๆ ตามเทคนิคการวัดระยะทาง ได้แก่ TOF โดยตรง (dTOF) และ TOF โดยอ้อม (iTOF) ซึ่งแต่ละประเภทมีฮาร์ดแวร์และอัลกอริทึมที่แตกต่างกัน ชุดบทความนี้จะเริ่มต้นด้วยการอธิบายหลักการของระบบทั้งสองก่อนที่จะเจาะลึกไปถึงการวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อดี ความท้าทาย และพารามิเตอร์ของระบบ
แม้ว่าหลักการของ TOF จะดูเรียบง่าย – คือการปล่อยพัลส์แสงและตรวจจับแสงที่สะท้อนกลับมาเพื่อคำนวณระยะทาง – แต่ความซับซ้อนอยู่ที่การแยกแยะแสงที่สะท้อนกลับมาจากแสงโดยรอบ ปัญหานี้แก้ไขได้โดยการปล่อยแสงที่มีความสว่างเพียงพอเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง และเลือกความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อลดการรบกวนจากแสงโดยรอบ อีกวิธีหนึ่งคือการเข้ารหัสแสงที่ปล่อยออกมาเพื่อให้สามารถแยกแยะได้เมื่อสะท้อนกลับมา คล้ายกับสัญญาณ SOS ของไฟฉาย
ชุดบทความนี้จะเปรียบเทียบ dTOF และ iTOF โดยจะกล่าวถึงความแตกต่าง ข้อดี และความท้าทายของทั้งสองระบบอย่างละเอียด และยังแบ่งประเภทระบบ TOF ตามความซับซ้อนของข้อมูลที่ระบบเหล่านั้นให้ ตั้งแต่ 1D TOF ไปจนถึง 3D TOF อีกด้วย
ดีทีโอเอฟ
Direct TOF วัดเวลาการเดินทางของโฟตอนโดยตรง ส่วนประกอบสำคัญคือ Single Photon Avalanche Diode (SPAD) ซึ่งมีความไวสูงพอที่จะตรวจจับโฟตอนเดี่ยวได้ dTOF ใช้ Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) ในการวัดเวลาที่โฟตอนมาถึง โดยสร้างฮิสโตแกรมเพื่ออนุมานระยะทางที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดโดยพิจารณาจากความถี่สูงสุดของความแตกต่างของเวลาที่กำหนด
ไอทีโอเอฟ
TOF แบบทางอ้อมคำนวณเวลาการเดินทางของแสงโดยอาศัยความแตกต่างของเฟสระหว่างรูปคลื่นที่ส่งออกมาและรูปคลื่นที่รับเข้ามา โดยทั่วไปจะใช้สัญญาณคลื่นต่อเนื่องหรือสัญญาณการปรับคลื่นแบบพัลส์ iTOF สามารถใช้สถาปัตยกรรมเซนเซอร์ภาพมาตรฐาน โดยวัดความเข้มของแสงในช่วงเวลาต่างๆ ได้
iTOF ยังแบ่งย่อยออกเป็น การมอดูเลชั่นคลื่นต่อเนื่อง (CW-iTOF) และการมอดูเลชั่นแบบพัลส์ (Pulsed-iTOF) CW-iTOF วัดการเปลี่ยนแปลงเฟสระหว่างคลื่นไซน์ที่ส่งออกมาและคลื่นไซน์ที่รับเข้ามา ในขณะที่ Pulsed-iTOF คำนวณการเปลี่ยนแปลงเฟสโดยใช้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม
อ่านเพิ่มเติม:
- วิกิพีเดีย (ไม่มีวันที่). เวลาในการเดินทาง. สืบค้นเมื่อจากhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (ไม่มีวันที่ระบุ). ToF (Time of Flight) | เทคโนโลยีทั่วไปของเซ็นเซอร์ภาพ. สืบค้นเมื่อจากhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- ไมโครซอฟต์ (4 กุมภาพันธ์ 2021). บทนำเกี่ยวกับเทคโนโลยี Time Of Flight (ToF) ของไมโครซอฟต์ - แพลตฟอร์ม Azure Depth. สืบค้นเมื่อจากhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 มีนาคม). เซ็นเซอร์ Time of Flight (TOF): ภาพรวมเชิงลึกและการประยุกต์ใช้งาน. สืบค้นเมื่อจากhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
จากหน้าเว็บhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
โดยผู้เขียน: เฉา กวง
ข้อสงวนสิทธิ์:
เราขอประกาศว่า ภาพบางส่วนที่แสดงบนเว็บไซต์ของเรานั้น รวบรวมมาจากอินเทอร์เน็ตและวิกิพีเดีย โดยมีจุดประสงค์เพื่อส่งเสริมการศึกษาและการแบ่งปันข้อมูล เราเคารพสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้สร้างสรรค์ทุกท่าน การใช้ภาพเหล่านี้ไม่ได้มีเจตนาเพื่อแสวงหาผลกำไรทางการค้า
หากคุณเชื่อว่าเนื้อหาใดๆ ที่ใช้ละเมิดลิขสิทธิ์ของคุณ โปรดติดต่อเรา เรายินดีที่จะดำเนินการที่เหมาะสม รวมถึงการลบภาพหรือการให้เครดิตอย่างถูกต้อง เพื่อให้เป็นไปตามกฎหมายและข้อบังคับด้านทรัพย์สินทางปัญญา เป้าหมายของเราคือการรักษาแพลตฟอร์มที่มีเนื้อหาคุณภาพสูง เป็นธรรม และเคารพสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้อื่น
โปรดติดต่อเราได้ที่อีเมลต่อไปนี้:sales@lumispot.cnเรามุ่งมั่นที่จะดำเนินการทันทีเมื่อได้รับการแจ้งเตือนใดๆ และรับประกันความร่วมมืออย่างเต็มที่ในการแก้ไขปัญหาดังกล่าว
วันที่โพสต์: 18 ธันวาคม 2023