ข่าวสาร - หลักการพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ระบบ TOF (Time of Flight)

สมัครรับข่าวสารจากโซเชียลมีเดียของเรา

ซีรีส์นี้มุ่งหวังที่จะให้ผู้อ่านเข้าใจระบบ Time of Flight (TOF) อย่างเจาะลึกและก้าวหน้า เนื้อหาครอบคลุมภาพรวมที่ครอบคลุมของระบบ TOF รวมถึงคำอธิบายโดยละเอียดของทั้ง TOF ทางอ้อม (iTOF) และ TOF โดยตรง (dTOF) ส่วนต่างๆ เหล่านี้จะเจาะลึกถึงพารามิเตอร์ของระบบ ข้อดีและข้อเสีย และอัลกอริทึมต่างๆ บทความนี้ยังสำรวจส่วนประกอบต่างๆ ของระบบ TOF เช่น เลเซอร์เปล่งแสงบนพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL) เลนส์ส่งและรับ เซ็นเซอร์รับ เช่น CIS, APD, SPAD, SiPM และวงจรไดรเวอร์ เช่น ASIC

บทนำเกี่ยวกับ TOF (Time of Flight)

หลักการพื้นฐาน

TOF ย่อมาจาก Time of Flight เป็นวิธีการวัดระยะทางโดยคำนวณเวลาที่แสงเดินทางเป็นระยะทางหนึ่งในตัวกลาง หลักการนี้ใช้เป็นหลักในสถานการณ์ TOF แบบออปติคัลและค่อนข้างตรงไปตรงมา กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงที่ปล่อยลำแสงพร้อมบันทึกเวลาที่ปล่อยออกมา แสงจะสะท้อนออกจากเป้าหมาย ถูกจับโดยเครื่องรับ และบันทึกเวลาที่รับไว้ ความแตกต่างของเวลาเหล่านี้ ซึ่งแสดงเป็น t จะกำหนดระยะทาง (d = ความเร็วแสง (c) × t / 2)

ประเภทของเซนเซอร์ ToF

เซ็นเซอร์ ToF มีสองประเภทหลัก ได้แก่ เซ็นเซอร์แบบออปติคัลและแบบแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์ ToF แบบออปติคัลซึ่งพบได้ทั่วไปนั้นใช้พัลส์แสง ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ในช่วงอินฟราเรด เพื่อวัดระยะทาง พัลส์เหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาจากเซ็นเซอร์ สะท้อนออกจากวัตถุ แล้วส่งกลับไปยังเซ็นเซอร์ ซึ่งจะวัดเวลาเดินทางและใช้ในการคำนวณระยะทาง ในทางตรงกันข้าม เซ็นเซอร์ ToF แบบแม่เหล็กไฟฟ้าจะใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น เรดาร์หรือลิดาร์ เพื่อวัดระยะทาง เซ็นเซอร์ทั้งสองทำงานบนหลักการเดียวกัน แต่ใช้ตัวกลางที่แตกต่างกันการวัดระยะทาง.

การประยุกต์ใช้งานของเซ็นเซอร์ ToF

เซ็นเซอร์ ToF มีความหลากหลายและได้รับการบูรณาการเข้ากับหลายสาขา:

หุ่นยนต์:ใช้สำหรับตรวจจับสิ่งกีดขวางและนำทาง ตัวอย่างเช่น หุ่นยนต์อย่าง Roomba และ Atlas ของ Boston Dynamics ใช้กล้องวัดความลึก ToF เพื่อสร้างแผนที่บริเวณโดยรอบและวางแผนการเคลื่อนไหว

ระบบรักษาความปลอดภัย:เซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวทั่วไปสำหรับการตรวจจับผู้บุกรุก การเปิดสัญญาณเตือนภัย หรือการเปิดใช้งานระบบกล้อง

อุตสาหกรรมยานยนต์:รวมอยู่ในระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่สำหรับระบบควบคุมความเร็วอัตโนมัติแบบปรับได้และหลีกเลี่ยงการชน ซึ่งกำลังแพร่หลายมากขึ้นในรถยนต์รุ่นใหม่

สาขาการแพทย์:ใช้ในระบบถ่ายภาพและการวินิจฉัยแบบไม่รุกราน เช่น เครื่องเอกซเรย์ตัดขวางด้วยแสง (OCT) ซึ่งสร้างภาพเนื้อเยื่อที่มีความละเอียดสูง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค:ผสานเข้ากับสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต และแล็ปท็อปสำหรับฟีเจอร์ต่างๆ เช่น การจดจำใบหน้า การตรวจสอบข้อมูลชีวภาพ และการจดจำท่าทาง

โดรน:ใช้เพื่อการนำทาง หลีกเลี่ยงการชน และเพื่อจัดการกับปัญหาความเป็นส่วนตัวและการบิน

สถาปัตยกรรมระบบ TOF

ระบบ TOF ทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบหลักหลายส่วนเพื่อให้สามารถวัดระยะทางได้ตามที่อธิบายไว้:

· เครื่องส่ง (Tx):ซึ่งรวมถึงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เป็นหลักวีซีเซลวงจรไดรเวอร์ ASIC เพื่อขับเคลื่อนเลเซอร์ และส่วนประกอบออปติกสำหรับควบคุมลำแสง เช่น เลนส์ปรับลำแสงหรือชิ้นส่วนออปติกแบบเลี้ยวเบนแสง และฟิลเตอร์
· ตัวรับสัญญาณ (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

สถาปัตยกรรมนี้แสดงให้เห็นว่าลำแสงเลเซอร์ที่มาจาก VCSEL และถูกปรับเปลี่ยนโดยส่วนประกอบออปติกเดินทางผ่านอวกาศ สะท้อนออกจากวัตถุ และกลับไปยังตัวรับได้อย่างไร การคำนวณไทม์แลปส์ในกระบวนการนี้จะเปิดเผยข้อมูลระยะทางหรือความลึก อย่างไรก็ตาม สถาปัตยกรรมนี้ไม่ได้ครอบคลุมเส้นทางของสัญญาณรบกวน เช่น สัญญาณรบกวนที่เกิดจากแสงแดดหรือสัญญาณรบกวนหลายเส้นทางจากการสะท้อน ซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลังในซีรีส์นี้

การจำแนกประเภทของระบบ TOF

ระบบ TOF แบ่งประเภทตามเทคนิคการวัดระยะทางเป็นหลัก ได้แก่ TOF โดยตรง (dTOF) และ TOF โดยอ้อม (iTOF) โดยแต่ละระบบจะมีฮาร์ดแวร์และแนวทางอัลกอริทึมที่แตกต่างกัน ซีรีส์นี้จะอธิบายหลักการของระบบเหล่านี้ในเบื้องต้น ก่อนจะลงลึกถึงการวิเคราะห์เชิงเปรียบเทียบข้อดี ความท้าทาย และพารามิเตอร์ของระบบ

แม้ว่าหลักการของ TOF จะดูเหมือนเรียบง่าย นั่นคือการปล่อยพัลส์แสงและตรวจจับการกลับมาของพัลส์แสงเพื่อคำนวณระยะทาง แต่ความซับซ้อนอยู่ที่การแยกความแตกต่างระหว่างแสงที่กลับมาจากแสงโดยรอบ ซึ่งแก้ปัญหานี้ได้โดยการปล่อยแสงที่สว่างเพียงพอเพื่อให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง และเลือกความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อลดการรบกวนจากแสงในสิ่งแวดล้อมให้เหลือน้อยที่สุด อีกวิธีหนึ่งคือการเข้ารหัสแสงที่ปล่อยออกมาเพื่อให้สามารถแยกแยะได้เมื่อกลับมา ซึ่งคล้ายกับสัญญาณ SOS ที่ใช้ไฟฉาย

ซีรีส์นี้จะเปรียบเทียบ dTOF และ iTOF พร้อมทั้งอภิปรายถึงความแตกต่าง ข้อดีและความท้าทายอย่างละเอียด และจัดประเภทระบบ TOF เพิ่มเติมตามความซับซ้อนของข้อมูลที่ให้มา โดยมีตั้งแต่ 1D TOF ไปจนถึง 3D TOF

ดีทีโอเอฟ

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

ไอทีโอเอฟ

TOF ทางอ้อมจะคำนวณเวลาการบินโดยอิงจากความแตกต่างของเฟสระหว่างคลื่นที่ปล่อยออกมาและคลื่นที่ได้รับ โดยทั่วไปจะใช้สัญญาณการมอดูเลตคลื่นหรือพัลส์ต่อเนื่อง iTOF สามารถใช้สถาปัตยกรรมเซนเซอร์ภาพมาตรฐานในการวัดความเข้มของแสงในช่วงเวลาหนึ่ง

iTOF แบ่งย่อยอีกเป็นการมอดูเลตคลื่นต่อเนื่อง (CW-iTOF) และการมอดูเลตพัลส์ (Pulsed-iTOF) โดย CW-iTOF จะวัดการเลื่อนเฟสระหว่างคลื่นไซน์ที่ปล่อยออกมาและคลื่นที่รับเข้ามา ในขณะที่ Pulsed-iTOF จะคำนวณการเลื่อนเฟสโดยใช้สัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม

อ่านเพิ่มเติม:

วิกิพีเดีย. (nd). เวลาบิน. สืบค้นจากhttps://en.wikipedia.org/wiki/เวลาของการบิน
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | เทคโนโลยีทั่วไปของเซ็นเซอร์ภาพ ดึงข้อมูลจากhttps://www.sony-semicon.com/th/technologies/tof
Microsoft (4 กุมภาพันธ์ 2021) บทนำสู่ Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform ดึงข้อมูลจากhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/บทนำสู่-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 มีนาคม). เซ็นเซอร์วัดเวลาบิน (TOF): ภาพรวมและการใช้งานแบบเจาะลึก ดึงข้อมูลจากhttps://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

ข้อสงวนสิทธิ์:

เราขอประกาศว่ารูปภาพบางส่วนที่แสดงบนเว็บไซต์ของเราได้รับการรวบรวมจากอินเทอร์เน็ตและวิกิพีเดีย โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อส่งเสริมการศึกษาและการแบ่งปันข้อมูล เราเคารพสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้สร้างทั้งหมด การใช้รูปภาพเหล่านี้ไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อแสวงหากำไรทางการค้า

หากคุณเชื่อว่าเนื้อหาใด ๆ ที่ใช้ละเมิดลิขสิทธิ์ของคุณ โปรดติดต่อเรา เราเต็มใจอย่างยิ่งที่จะใช้มาตรการที่เหมาะสม รวมถึงการลบรูปภาพหรือระบุแหล่งที่มาที่ถูกต้อง เพื่อให้เป็นไปตามกฎหมายและข้อบังคับเกี่ยวกับทรัพย์สินทางปัญญา เป้าหมายของเราคือการรักษาแพลตฟอร์มที่มีเนื้อหามากมาย ยุติธรรม และเคารพสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาของผู้อื่น

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