ข่าวสาร - หลักการพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ระบบ TOF (Time of Flight)

สมัครสมาชิกโซเชียลมีเดียของเราเพื่อรับโพสต์ทันที

บทความนี้มุ่งหวังที่จะให้ผู้อ่านเข้าใจระบบ Time of Flight (TOF) อย่างลึกซึ้งและก้าวหน้า เนื้อหาครอบคลุมภาพรวมที่ครอบคลุมของระบบ TOF รวมถึงคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับ TOF ทั้งแบบอ้อม (iTOF) และ TOF แบบตรง (dTOF) ส่วนต่างๆ เหล่านี้จะเจาะลึกถึงพารามิเตอร์ของระบบ ข้อดีและข้อเสีย และอัลกอริทึมต่างๆ บทความนี้ยังสำรวจส่วนประกอบต่างๆ ของระบบ TOF เช่น เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL) เลนส์รับและส่งสัญญาณ เซ็นเซอร์รับสัญญาณ เช่น CIS, APD, SPAD, SiPM และวงจรไดรเวอร์ เช่น ASIC

บทนำสู่ TOF (Time of Flight)

หลักการพื้นฐาน

TOF ย่อมาจาก Time of Flight เป็นวิธีการวัดระยะทางโดยการคำนวณเวลาที่แสงเดินทางเป็นระยะทางหนึ่งในตัวกลาง หลักการนี้ส่วนใหญ่ใช้ในสถานการณ์ TOF แบบออปติคัลและค่อนข้างตรงไปตรงมา กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงที่ปล่อยลำแสงออกมา โดยมีการบันทึกเวลาที่ปล่อยออกมา แสงจะสะท้อนออกจากเป้าหมาย ถูกจับภาพโดยเครื่องรับ และบันทึกเวลาที่รับแสง ความแตกต่างของเวลาเหล่านี้ ซึ่งแสดงเป็น t เป็นตัวกำหนดระยะทาง (d = ความเร็วแสง (c) × t / 2)

ประเภทของเซ็นเซอร์ ToF

เซ็นเซอร์ ToF มีสองประเภทหลัก ได้แก่ เซ็นเซอร์แบบออปติคัลและเซ็นเซอร์แบบแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์ ToF แบบออปติคัล ซึ่งพบได้ทั่วไปกว่านั้น จะใช้พัลส์แสง ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ในช่วงอินฟราเรด เพื่อวัดระยะทาง พัลส์เหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาจากเซ็นเซอร์ สะท้อนออกจากวัตถุ และกลับไปยังเซ็นเซอร์ ซึ่งจะทำการวัดเวลาเดินทางและใช้ในการคำนวณระยะทาง ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์ ToF แบบแม่เหล็กไฟฟ้าจะใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น เรดาร์หรือไลดาร์ เพื่อวัดระยะทาง เซ็นเซอร์ทั้งสองทำงานบนหลักการเดียวกัน แต่ใช้ตัวกลางที่แตกต่างกันการวัดระยะทาง.

การประยุกต์ใช้งานของเซ็นเซอร์ ToF

เซ็นเซอร์ ToF มีความหลากหลายและได้รับการบูรณาการเข้ากับสาขาต่างๆ:

หุ่นยนต์:ใช้สำหรับการตรวจจับสิ่งกีดขวางและการนำทาง ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์อย่าง Roomba และ Atlas ของ Boston Dynamics ใช้กล้องวัดความลึก ToF เพื่อสร้างแผนที่สภาพแวดล้อมและวางแผนการเคลื่อนไหว

ระบบรักษาความปลอดภัย:เซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวทั่วไปสำหรับตรวจจับผู้บุกรุก เปิดใช้งานสัญญาณเตือนภัย หรือเปิดใช้งานระบบกล้อง

อุตสาหกรรมยานยนต์:รวมอยู่ในระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่สำหรับระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติและการหลีกเลี่ยงการชน ซึ่งกำลังแพร่หลายมากขึ้นในรถยนต์รุ่นใหม่ๆ

สาขาการแพทย์:ใช้ในการถ่ายภาพและการวินิจฉัยแบบไม่รุกราน เช่น การถ่ายภาพด้วยแสงแบบเชื่อมโยง (OCT) เพื่อสร้างภาพเนื้อเยื่อที่มีความละเอียดสูง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค:ผสานเข้ากับสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต และแล็ปท็อปสำหรับฟีเจอร์ต่างๆ เช่น การจดจำใบหน้า การตรวจสอบข้อมูลทางชีวภาพ และการจดจำท่าทาง

โดรน:ใช้เพื่อการนำทาง หลีกเลี่ยงการชน และเพื่อจัดการกับปัญหาความเป็นส่วนตัวและการบิน

สถาปัตยกรรมระบบ TOF

ระบบ TOF ทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญหลายส่วนเพื่อใช้ในการวัดระยะทางตามที่อธิบายไว้:

· เครื่องส่งสัญญาณ (Tx):ซึ่งรวมถึงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เป็นหลักวีซีเซลวงจรไดรเวอร์ ASIC เพื่อขับเคลื่อนเลเซอร์ และส่วนประกอบออปติกสำหรับควบคุมลำแสง เช่น เลนส์ปรับลำแสงหรือองค์ประกอบออปติกแบบเลี้ยวเบนแสง และฟิลเตอร์
· ผู้รับ (Rx):ประกอบด้วยเลนส์และฟิลเตอร์ที่ปลายทางรับ เซ็นเซอร์เช่น CIS, SPAD หรือ SiPM ขึ้นอยู่กับระบบ TOF และ Image Signal Processor (ISP) สำหรับประมวลผลข้อมูลจำนวนมากจากชิปตัวรับ
·การจัดการพลังงาน:การจัดการที่มั่นคงการควบคุมกระแสไฟสำหรับ VCSEL และแรงดันไฟฟ้าสูงสำหรับ SPAD ถือเป็นสิ่งสำคัญ ซึ่งต้องมีการจัดการพลังงานที่แข็งแกร่ง
· ชั้นซอฟต์แวร์:ซึ่งรวมถึงเฟิร์มแวร์, SDK, ระบบปฏิบัติการ และเลเยอร์แอปพลิเคชัน

สถาปัตยกรรมนี้แสดงให้เห็นว่าลำแสงเลเซอร์ที่กำเนิดจาก VCSEL และถูกดัดแปลงโดยส่วนประกอบทางแสง เดินทางผ่านอวกาศ สะท้อนออกจากวัตถุ และกลับไปยังตัวรับได้อย่างไร การคำนวณไทม์แลปส์ในกระบวนการนี้จะแสดงข้อมูลระยะทางหรือความลึก อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมนี้ไม่ได้ครอบคลุมเส้นทางของสัญญาณรบกวน เช่น สัญญาณรบกวนจากแสงอาทิตย์ หรือสัญญาณรบกวนหลายเส้นทางจากการสะท้อน ซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลังในชุดบทความนี้

การจำแนกประเภทของระบบ TOF

ระบบ TOF แบ่งตามเทคนิคการวัดระยะทางเป็นหลัก ได้แก่ TOF โดยตรง (dTOF) และ TOF ทางอ้อม (iTOF) ซึ่งแต่ละระบบมีฮาร์ดแวร์และอัลกอริทึมที่แตกต่างกัน ในเบื้องต้นจะอธิบายหลักการของระบบต่างๆ ก่อนที่จะวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อดี ความท้าทาย และพารามิเตอร์ของระบบ

แม้หลักการ TOF จะดูเหมือนเรียบง่าย นั่นคือการปล่อยพัลส์แสงและตรวจจับการสะท้อนกลับเพื่อคำนวณระยะทาง แต่ความซับซ้อนอยู่ที่การแยกความแตกต่างระหว่างแสงที่สะท้อนกลับจากแสงโดยรอบ ซึ่งแก้ปัญหานี้ได้ด้วยการปล่อยแสงที่สว่างเพียงพอเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง และการเลือกความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อลดการรบกวนของแสงจากสิ่งแวดล้อม อีกวิธีหนึ่งคือการเข้ารหัสแสงที่เปล่งออกมาเพื่อให้สามารถแยกแยะได้เมื่อสะท้อนกลับ คล้ายกับสัญญาณ SOS ที่ใช้ไฟฉาย

ซีรีส์นี้จะเปรียบเทียบ dTOF และ iTOF พร้อมทั้งอภิปรายความแตกต่าง ข้อดี และความท้าทายอย่างละเอียด และจัดประเภทระบบ TOF เพิ่มเติมตามความซับซ้อนของข้อมูลที่ระบบเหล่านี้ให้มา โดยมีตั้งแต่ 1D TOF ถึง 3D TOF

ดีทีโอเอฟ

Direct TOF วัดเวลาการบินของโฟตอนโดยตรง ส่วนประกอบสำคัญคือ Single Photon Avalanche Diode (SPAD) ซึ่งมีความไวเพียงพอที่จะตรวจจับโฟตอนเดี่ยว dTOF ใช้ Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) เพื่อวัดเวลาที่โฟตอนมาถึง โดยสร้างฮิสโทแกรมเพื่อหาระยะทางที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดโดยอ้างอิงจากความถี่สูงสุดของความแตกต่างของเวลาหนึ่งๆ

ไอทีโอเอฟ

TOF ทางอ้อมจะคำนวณเวลาบินโดยอิงจากความแตกต่างของเฟสระหว่างคลื่นที่ส่งออกไปและคลื่นที่ได้รับ โดยทั่วไปจะใช้สัญญาณการมอดูเลตแบบคลื่นต่อเนื่องหรือพัลส์ iTOF สามารถใช้สถาปัตยกรรมเซนเซอร์ภาพมาตรฐานในการวัดความเข้มของแสงในช่วงเวลาหนึ่ง

iTOF แบ่งย่อยอีกเป็นการปรับคลื่นต่อเนื่อง (CW-iTOF) และการมอดูเลตแบบพัลส์ (Pulsed-iTOF) โดย CW-iTOF จะวัดการเลื่อนเฟสระหว่างคลื่นไซน์ที่ปล่อยออกมาและคลื่นที่รับเข้ามา ในขณะที่ Pulsed-iTOF จะคำนวณการเลื่อนเฟสโดยใช้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม

อ่านเพิ่มเติม:

วิกิพีเดีย. (nd). เวลาบิน. สืบค้นจากhttps://en.wikipedia.org/wiki/เวลาแห่งการบิน
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | เทคโนโลยีทั่วไปของเซ็นเซอร์ภาพ สืบค้นจากhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 กุมภาพันธ์ 2021). บทนำสู่ Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform สืบค้นจากhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/บทนำสู่-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 มีนาคม). เซ็นเซอร์วัดเวลาบิน (TOF): ภาพรวมเชิงลึกและการประยุกต์ใช้ สืบค้นจากhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

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

โดยผู้แต่ง : เฉา กวง

คำเตือน:

เราขอประกาศ ณ ที่นี้ว่ารูปภาพบางส่วนที่แสดงบนเว็บไซต์ของเราได้รับการรวบรวมจากอินเทอร์เน็ตและวิกิพีเดีย โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อส่งเสริมการศึกษาและการแบ่งปันข้อมูล เราเคารพในสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้สร้างทุกท่าน การใช้รูปภาพเหล่านี้ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อแสวงหาผลกำไรเชิงพาณิชย์

หากคุณเชื่อว่าเนื้อหาใดๆ ที่ใช้ละเมิดลิขสิทธิ์ของคุณ โปรดติดต่อเรา เรายินดีอย่างยิ่งที่จะใช้มาตรการที่เหมาะสม ซึ่งรวมถึงการลบรูปภาพหรือระบุแหล่งที่มาที่ถูกต้อง เพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามกฎหมายและข้อบังคับเกี่ยวกับทรัพย์สินทางปัญญา เป้าหมายของเราคือการรักษาแพลตฟอร์มที่มีเนื้อหาครบถ้วน เป็นธรรม และเคารพสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้อื่น

กรุณาติดต่อเราได้ที่อีเมล์ต่อไปนี้:sales@lumispot.cnเรามุ่งมั่นที่จะดำเนินการทันทีเมื่อได้รับการแจ้งเตือนใดๆ และรับประกันความร่วมมือ 100% ในการแก้ไขปัญหาใดๆ ดังกล่าว