הירשם למדיה החברתית שלנו לקבלת פוסט מהיר
סדרה זו שמה לה למטרה לספק לקוראים הבנה מעמיקה ומתקדמת של מערכת זמן הטיסה (TOF). התוכן מכסה סקירה מקיפה של מערכות TOF, כולל הסברים מפורטים הן של TOF עקיף (iTOF) והן של TOF ישיר (dTOF). סעיפים אלו מתעמקים בפרמטרים של המערכת, היתרונות והחסרונות שלהם, ואלגוריתמים שונים. המאמר גם בוחן את הרכיבים השונים של מערכות TOF, כמו לייזרים פולטי חלל משטחים אנכיים (VCSELs), עדשות שידור וקליטה, חיישני קליטה כמו CIS, APD, SPAD, SiPM ומעגלי דרייברים כמו ASIC.
מבוא ל-TOF (זמן טיסה)
עקרונות בסיסיים
TOF, ראשי תיבות של Time of Flight, היא שיטה המשמשת למדידת מרחק על ידי חישוב הזמן שלוקח לאור לעבור מרחק מסוים במדיום. עיקרון זה מיושם בעיקר בתרחישי TOF אופטיים והוא פשוט יחסית. התהליך כולל מקור אור הפולט קרן אור, כאשר זמן הפליטה מתועד. האור הזה מוחזר למטרה, נקלט על ידי מקלט, וזמן הקליטה מצוין. ההבדל בזמנים אלה, המסומנים כ-t, קובע את המרחק (d = מהירות האור (c) × t / 2).
סוגי חיישני ToF
ישנם שני סוגים עיקריים של חיישני ToF: אופטיים ואלקטרומגנטיים. חיישני ToF אופטיים, הנפוצים יותר, מנצלים פעימות אור, בדרך כלל בתחום האינפרא אדום, למדידת מרחק. פולסים אלו נפלטים מהחיישן, משקפים אובייקט וחוזרים לחיישן, שם נמדד זמן הנסיעה ומשמש לחישוב המרחק. לעומת זאת, חיישני ToF אלקטרומגנטיים משתמשים בגלים אלקטרומגנטיים, כמו מכ"ם או לידר, כדי למדוד מרחק. הם פועלים על עיקרון דומה אך משתמשים במדיום אחר עבורמדידת מרחק.
יישומים של חיישני ToF
חיישני ToF הם מגוונים ושולבו בתחומים שונים:
רובוטיקה:משמש לזיהוי מכשולים וניווט. לדוגמה, רובוטים כמו Roomba ו-Atlas של Boston Dynamics משתמשים במצלמות עומק ToF למיפוי סביבתם ולתכנון תנועות.
מערכות אבטחה:נפוץ בחיישני תנועה לאיתור פולשים, הפעלת אזעקות או הפעלת מערכות מצלמות.
תעשיית הרכב:משולבת במערכות סיוע לנהג לבקרת שיוט אדפטיבית והימנעות מהתנגשות, והופכת לנפוצה יותר ויותר בדגמי רכב חדשים.
תחום רפואי: מועסק בהדמיה ואבחון לא פולשניות, כגון טומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT), הפקת תמונות רקמה ברזולוציה גבוהה.
מוצרי צריכה: משולב בסמארטפונים, טאבלטים ומחשבים ניידים עבור תכונות כמו זיהוי פנים, אימות ביומטרי וזיהוי מחוות.
מזל"טים:מנוצל לניווט, הימנעות מהתנגשויות ובטיפול בפרטיות ותעופה
ארכיטקטורת מערכת TOF
מערכת TOF טיפוסית מורכבת ממספר מרכיבי מפתח כדי להשיג את מדידת המרחק כמתואר:
· משדר (Tx):זה כולל מקור אור לייזר, בעיקר אVCSEL, מעגל דרייבר ASIC להנעת הלייזר, ורכיבים אופטיים לבקרת קרן כגון עדשות קולימציה או אלמנטים אופטיים עקיפים, ומסננים.
· מקלט (Rx):זה מורכב מעדשות ומסננים בקצה הקולט, חיישנים כמו CIS, SPAD או SiPM בהתאם למערכת ה-TOF, ומעבד אותות תמונה (ISP) לעיבוד כמויות גדולות של נתונים משבב המקלט.
·ניהול חשמל:ניהול יציבבקרת זרם עבור VCSELs ומתח גבוה עבור SPADs היא חיונית, הדורשת ניהול כוח חזק.
· שכבת תוכנה:זה כולל קושחה, SDK, מערכת הפעלה ושכבת יישומים.
הארכיטקטורה מדגימה כיצד קרן לייזר, שמקורה ב-VCSEL ושונתה על ידי רכיבים אופטיים, נעה בחלל, משקפת אובייקט וחוזרת למקלט. חישוב פסק הזמן בתהליך זה חושף מידע על מרחק או עומק. עם זאת, ארכיטקטורה זו אינה מכסה נתיבי רעש, כגון רעש המושרה מאור שמש או רעש רב-נתיבי מהשתקפויות, אשר נדון בהמשך הסדרה.
סיווג מערכות TOF
מערכות TOF מסווגות בעיקר לפי טכניקות מדידת המרחק שלהן: TOF ישירה (dTOF) ו-TOF עקיפה (iTOF), כל אחת עם גישות חומרה ואלגוריתמיות נפרדות. הסדרה מתארת בתחילה את העקרונות שלה לפני שהיא מתעמקת בניתוח השוואתי של היתרונות, האתגרים ופרמטרי המערכת שלהן.
למרות העיקרון הפשוט לכאורה של TOF - פליטת דופק אור וזיהוי החזרה שלו כדי לחשב מרחק - המורכבות טמונה בהבדל בין האור החוזר לאור הסביבה. זה מטופל על ידי פליטת אור בהיר מספיק כדי להשיג יחס אות לרעש גבוה ובחירת אורכי גל מתאימים כדי למזער הפרעות אור סביבתיות. גישה נוספת היא לקודד את האור הנפלט כדי שיהיה ניתן להבחין בו עם החזרה, בדומה לאותות SOS עם פנס.
הסדרה ממשיכה להשוות את dTOF ו-iTOF, דנה בפירוט על ההבדלים, היתרונות והאתגרים שלהם, ומסווגת עוד יותר מערכות TOF בהתבסס על מורכבות המידע שהן מספקות, החל מ-1D TOF ל-3D TOF.
dTOF
Direct TOF מודד ישירות את זמן הטיסה של הפוטון. מרכיב המפתח שלה, דיודת מפולת פוטון בודדת (SPAD), רגיש מספיק כדי לזהות פוטונים בודדים. dTOF משתמש ב-Time Correlated Photon Single Counting (TCSPC) כדי למדוד את זמן הגעת הפוטונים, בונה היסטוגרמה כדי להסיק את המרחק הסביר ביותר בהתבסס על התדירות הגבוהה ביותר של הפרש זמן מסוים.
iTOF
TOF עקיף מחשב את זמן הטיסה בהתבסס על הפרש הפאזות בין צורות גל שנפלטות למתקבלות, בדרך כלל באמצעות אותות אפנון של גל רציף או דופק. iTOF יכול להשתמש בארכיטקטורות חיישני תמונה סטנדרטיות, למדוד את עוצמת האור לאורך זמן.
iTOF מחולקת עוד יותר לאפנון גל מתמשך (CW-iTOF) ואפנון דופק (Pulsed-iTOF). CW-iTOF מודד את הסטת הפאזה בין גלים סינוסואידים הנפלטים למתקבלים, בעוד Pulsed-iTOF מחשב את הסטת הפאזה באמצעות אותות גל ריבועי.
קריאה נוספת:
- ויקיפדיה. (נד). זמן הטיסה. אוחזר מhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- קבוצת סוני מוליכים למחצה. (נד). ToF (זמן טיסה) | טכנולוגיה נפוצה של חיישני תמונה. אוחזר מhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- מיקרוסופט. (2021, 4 בפברואר). מבוא ל-Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. אוחזר מhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023, 2 במרץ). חיישני זמן טיסה (TOF): סקירה מעמיקה ויישומים. אוחזר מhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
מתוך דף האינטרנטhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
מאת המחבר: צ'או גואנג
כתב ויתור:
אנו מצהירים בזאת כי חלק מהתמונות המוצגות באתר האינטרנט שלנו נאספות מהאינטרנט ומוויקיפדיה, במטרה לקדם חינוך ושיתוף מידע. אנו מכבדים את זכויות הקניין הרוחני של כל היוצרים. השימוש בתמונות אלו אינו מיועד למטרות מסחריות.
אם אתה סבור שאחד מהתכנים שבהם נעשה שימוש מפר את זכויות היוצרים שלך, אנא צור איתנו קשר. אנחנו יותר מנכונים לנקוט באמצעים מתאימים, כולל הסרת תמונות או מתן ייחוס נאות, כדי להבטיח עמידה בחוקים ובתקנות הקניין הרוחני. המטרה שלנו היא לשמור על פלטפורמה עשירה בתוכן, הוגנת ומכבדת את זכויות הקניין הרוחני של אחרים.
אנא צור איתנו קשר בכתובת המייל הבאה:sales@lumispot.cn. אנו מתחייבים לנקוט בפעולה מיידית עם קבלת כל הודעה ומבטיחים שיתוף פעולה של 100% בפתרון בעיות מסוג זה.
זמן פרסום: 18 בדצמבר 2023