חדשות - עקרון בסיסי ויישום של מערכת TOF (זמן טיסה)

הירשמו לרשתות החברתיות שלנו לפוסטים מהירים

סדרה זו שואפת לספק לקוראים הבנה מעמיקה ומתקדמת של מערכת זמן הטיסה (TOF). התוכן מכסה סקירה מקיפה של מערכות TOF, כולל הסברים מפורטים הן על TOF עקיף (iTOF) והן על TOF ישיר (dTOF). חלקים אלה מתעמקים בפרמטרי המערכת, יתרונותיהם וחסרונותיהם, ואלגוריתמים שונים. המאמר בוחן גם את הרכיבים השונים של מערכות TOF, כגון לייזרים פולטי פני שטח אנכיים (VCSELs), עדשות שידור וקליטה, חיישני קליטה כמו CIS, APD, SPAD, SiPM ומעגלי דרייבר כמו ASICs.

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 בתווך. עיקרון זה מיושם בעיקר בתרחישי TOF אופטיים והוא פשוט יחסית. התהליך כולל מקור אור הפולט קרן אור, כאשר זמן הפליטה נרשם. אור זה מוחזר לאחר מכן מהמטרה, נקלט על ידי מקלט, וזמן הקליטה נרשם. ההפרש בזמנים אלה, המסומן 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, משתמשים בפולסי אור, בדרך כלל בטווח האינפרא אדום, למדידת מרחק. פולסים אלה נפלטים מהחיישן, משתקפים מעצם וחוזרים לחיישן, שם נמדד זמן הנסיעה ומשמש לחישוב מרחק. לעומת זאת, חיישני ToF אלקטרומגנטיים משתמשים בגלים אלקטרומגנטיים, כמו מכ"ם או לידאר, למדידת מרחק. הם פועלים על פי עיקרון דומה אך משתמשים בתווך שונה עבור...מדידת מרחק.

יישומים של חיישני ToF

חיישני ToF הם רב-תכליתיים ושולבו בתחומים שונים:

רובוטיקה:משמש לגילוי מכשולים וניווט. לדוגמה, רובוטים כמו Roomba ו-Atlas של Boston Dynamics משתמשים במצלמות עומק ToF למיפוי סביבתם ותכנון תנועות.

מערכות אבטחה:נפוצים בחיישני תנועה לגילוי פולשים, הפעלת אזעקות או הפעלת מערכות מצלמה.

תעשיית הרכב:משולב במערכות סיוע לנהג לבקרת שיוט אדפטיבית ומניעת התנגשויות, והופך נפוץ יותר ויותר בדגמי רכב חדשים.

תחום רפואימשמש בהדמיה ואבחון לא פולשניים, כגון טומוגרפיה קוהרנטית אופטית (OCT), ומפיק תמונות רקמות ברזולוציה גבוהה.

מוצרי אלקטרוניקהמשולב בסמארטפונים, טאבלטים ומחשבים ניידים עבור תכונות כמו זיהוי פנים, אימות ביומטרי וזיהוי מחוות.

רחפנים:משמש לניווט, מניעת התנגשויות, וטיפול בדאגות בנוגע לפרטיות ותעופה

ארכיטקטורת מערכת TOF

מערכת TOF טיפוסית מורכבת ממספר רכיבים מרכזיים להשגת מדידת המרחק כמתואר:

· משדר (Tx):זה כולל מקור אור לייזר, בעיקר אVCSEL, מעגל דרייב ASIC להנעת הלייזר, ורכיבים אופטיים לבקרת קרן כגון עדשות קולימציה או אלמנטים אופטיים דיפרקטיביים, ומסננים.
· מקלט (Rx):זה מורכב מעדשות ומסננים בצד המקבל, חיישנים כמו CIS, SPAD או SiPM בהתאם למערכת TOF, ומעבד אותות תמונה (ISP) לעיבוד כמויות גדולות של נתונים משבב המקלט.
·ניהול צריכת חשמל:ניהול יציבבקרת זרם עבור VCSELs ומתח גבוה עבור SPADs היא קריטית, הדורשת ניהול הספק חזק.
· שכבת תוכנה:זה כולל קושחה, SDK, מערכת הפעלה ושכבת יישומים.

הארכיטקטורה מדגימה כיצד קרן לייזר, שמקורה ב-VCSEL ומשתנה על ידי רכיבים אופטיים, נעה דרך החלל, מוחזרת מעצם וחוזרת למקלט. חישוב זמן ההפסקה 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 יידונו בהמשך הסדרה.

סיווג מערכות TOF

מערכות TOF מסווגות בעיקר לפי טכניקות מדידת המרחק שלהן: TOF ישיר (dTOF) ו-TOF עקיף (iTOF), לכל אחת גישות חומרה ואלגוריתמיות ייחודיות. הסדרה מתארת בתחילה את עקרונותיהן לפני שתעמיק בניתוח השוואתי של יתרונותיהן, אתגריהן ופרמטרי המערכת.

למרות העיקרון הפשוט לכאורה של TOF - פליטת פולס אור וגילוי חזרתו כדי לחשב מרחק - המורכבות טמונה בהבחנה בין האור החוזר לאור הסביבה. פתרון 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 חזרתו, בדומה לאותות SOS באמצעות פנס.

הסדרה ממשיכה ומשווה בין dTOF ו-iTOF, דנה בפירוט בהבדלים, ביתרונות ובאתגרים ביניהם, ומסווגת עוד יותר את מערכות TOF על סמך מורכבות המידע שהן מספקות, החל מ-TOF חד-ממדי ועד TOF תלת-ממדי.

dTOF

טכנולוגיית TOF ישירה מודדת ישירות את זמן הטיסה של הפוטון. הרכיב המרכזי שלה, דיודת מפולת פוטון יחידה (SPAD), רגיש מספיק כדי לזהות פוטונים בודדים. טכנולוגיית dTOF משתמשת במערכת ספירת פוטון יחידה מתואמת בזמן (TCSPC) כדי למדוד את זמן הגעת הפוטונים, ובונה היסטוגרמה כדי להסיק את המרחק הסביר ביותר על סמך התדירות הגבוהה ביותר של הפרש זמן מסוים.

iTOF

TOF עקיף מחשב את זמן הטיסה בהתבסס על הפרש הפאזה בין צורות הגל הנפלטות והנקלטות, בדרך כלל באמצעות אותות גל רציף או מודולציה של דופק. iTOF יכול להשתמש בארכיטקטורות חיישני תמונה סטנדרטיות, למדוד את עוצמת האור לאורך זמן.

iTOF מחולק עוד יותר למודולציה של גל רציף (CW-iTOF) ואפנון פעימות (Pulsed-iTOF). CW-iTOF מודד את הסטת הפאזה בין גלים סינוסואידליים הנפלטים לגלים הנקלטים, בעוד ש-Pulsed-iTOF מחשב את הסטת הפאזה באמצעות אותות גל מרובע.

קריאה נוספת:

ויקיפדיה. (nd). זמן הטיסה. אוחזר מhttps://en.wikipedia.org/wiki/זמן_טיסה
קבוצת פתרונות סמי-קונדוקטור של סוני. (nd). ToF (זמן טיסה) | טכנולוגיה נפוצה של חיישני תמונה. אוחזר מhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
מיקרוסופט. (4 בפברואר, 2021). מבוא ל-Microsoft Time Of Flight (ToF) - פלטפורמת Azure Depth. אוחזר מhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 במרץ, 2023). חיישני זמן טיסה (TOF): סקירה מעמיקה ויישומים. נלקח מhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

מדף האינטרנטhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

מאת המחבר: צ'או גואנג

הצהרת אחריות:

אנו מצהירים בזאת כי חלק מהתמונות המוצגות באתר שלנו נאספו מהאינטרנט ומוויקיפדיה, במטרה לקדם חינוך ושיתוף מידע. אנו מכבדים את זכויות הקניין הרוחני של כל היוצרים. השימוש בתמונות אלה אינו מיועד למטרות רווח מסחרי.

אם אתם סבורים שאחד מהתוכן בו נעשה שימוש מפר את זכויות היוצרים שלכם, אנא צרו עמנו קשר. אנו מוכנים לנקוט באמצעים המתאימים, לרבות הסרת תמונות או מתן ייחוס נאות, על מנת להבטיח עמידה בחוקי ותקנות הקניין הרוחני. מטרתנו היא לשמור על פלטפורמה עשירה בתוכן, הוגנת ומכבדת את זכויות הקניין הרוחני של אחרים.

אנא צרו קשר בכתובת הדוא"ל הבאה:sales@lumispot.cnאנו מתחייבים לנקוט פעולה מיידית עם קבלת כל הודעה ומבטיחים שיתוף פעולה של 100% בפתרון כל בעיה כזו.