뉴스 - TOF(Time of Flight) 시스템의 기본 원리 및 응용

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이 시리즈는 독자들에게 TOF(Time of Flight) 시스템에 대한 심층적이고 단계적인 이해를 제공하는 것을 목표로 합니다. 내용은 TOF 시스템에 대한 포괄적인 개요를 다루며, 간접 TOF(iTOF)와 직접 TOF(dTOF)에 대한 자세한 설명을 포함합니다. 각 장에서는 시스템 매개변수, 장단점, 그리고 다양한 알고리즘을 심층적으로 살펴봅니다. 또한, VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 송수신 렌즈, CIS, APD, SPAD, SiPM과 같은 수신 센서, 그리고 ASIC과 같은 구동 회로 등 TOF 시스템의 다양한 구성 요소에 대해서도 알아봅니다.

TOF(Time of Flight, 비행시간) 소개

기본 원칙

TOF(Time of Flight, 비행시간)는 빛이 매질을 통과하는 데 걸리는 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방법입니다. 이 원리는 주로 광학 TOF 측정에 적용되며 비교적 간단합니다. 먼저 광원에서 빛을 방출하고 방출 시간을 기록합니다. 그런 다음 이 빛이 목표물에 반사되어 수신기에 도달하면 수신 시간을 기록합니다. 이 두 시간의 차이(t)를 이용하여 거리를 구합니다(d = 빛의 속도(c) × t / 2).

ToF 센서의 종류

ToF 센서는 크게 광학식과 전자기식 두 가지 유형으로 나뉩니다. 더 널리 사용되는 광학식 ToF 센서는 적외선 영역의 빛 펄스를 이용하여 거리를 측정합니다. 센서에서 방출된 펄스가 물체에 반사되어 센서로 돌아오면, 이 이동 시간을 측정하여 거리를 계산합니다. 반면, 전자기식 ToF 센서는 레이더나 라이다처럼 전자기파를 이용하여 거리를 측정합니다. 작동 원리는 유사하지만, 빛을 전달하는 매체가 다릅니다.거리 측정.

ToF 센서의 응용 분야

ToF 센서는 다용도로 활용 가능하며 다양한 분야에 통합되어 왔습니다.

로봇공학:장애물 감지 및 내비게이션에 사용됩니다. 예를 들어, Roomba나 Boston Dynamics의 Atlas와 같은 로봇은 ToF 심도 카메라를 사용하여 주변 환경을 매핑하고 움직임을 계획합니다.

보안 시스템:침입자 감지, 경보 작동 또는 카메라 시스템 활성화를 위한 동작 센서에 흔히 사용됩니다.

자동차 산업:적응형 크루즈 컨트롤 및 충돌 방지 시스템과 같은 운전자 보조 시스템에 통합되어 신형 차량 모델에서 점점 더 보편화되고 있습니다.

의료 분야광학 코히런스 단층촬영(OCT)과 같은 비침습적 영상 및 진단에 사용되어 고해상도 조직 이미지를 생성합니다.

소비자 가전제품스마트폰, 태블릿, 노트북에 통합되어 얼굴 인식, 생체 인증, 제스처 인식 등의 기능을 제공합니다.

드론:항법, 충돌 방지, 개인 정보 보호 및 항공 관련 문제 해결에 활용됩니다.

TOF 시스템 아키텍처

일반적인 TOF 시스템은 위에서 설명한 거리 측정을 수행하기 위해 몇 가지 핵심 구성 요소로 이루어져 있습니다.

· 송신기(Tx):여기에는 주로 레이저 광원이 포함됩니다.VCSEL레이저를 구동하는 드라이버 회로 ASIC, 그리고 콜리메이팅 렌즈나 회절 광학 소자, 필터와 같은 빔 제어용 광학 부품들이 포함됩니다.
· 수신기(Rx):이는 수신단의 렌즈와 필터, TOF 시스템에 따라 CIS, SPAD 또는 SiPM과 같은 센서, 그리고 수신 칩에서 들어오는 대량의 데이터를 처리하는 이미지 신호 처리기(ISP)로 구성됩니다.
·전력 관리:안정적인 관리VCSEL의 전류 제어와 SPAD의 고전압 제어는 매우 중요하며, 이를 위해서는 강력한 전력 관리가 필수적입니다.
· 소프트웨어 계층:여기에는 펌웨어, SDK, 운영체제 및 애플리케이션 계층이 포함됩니다.

이 구조는 VCSEL에서 발생하여 광학 부품에 의해 변형된 레이저 빔이 공간을 이동하고, 물체에 반사되어 수신기로 되돌아오는 과정을 보여줍니다. 이 과정에서 시간 경과에 따른 계산을 통해 거리 또는 깊이 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나 이 구조는 햇빛으로 인한 잡음이나 반사로 인한 다중 경로 잡음과 같은 잡음 경로는 고려하지 않으며, 이러한 잡음 경로는 본 시리즈 후반부에서 다룹니다.

TOF 시스템의 분류

TOF 시스템은 주로 거리 측정 방식에 따라 직접 TOF(dTOF)와 간접 TOF(iTOF)로 분류되며, 각각 고유한 하드웨어 및 알고리즘 방식을 사용합니다. 본 시리즈에서는 먼저 두 시스템의 원리를 간략히 설명한 후, 장점, 과제 및 시스템 매개변수에 대한 비교 분석을 진행합니다.

TOF(Time-of-Flight)는 빛 펄스를 방출하고 반사되어 돌아오는 빛을 감지하여 거리를 계산하는 겉보기에는 간단한 원리이지만, 주변광과 반사된 빛을 구분하는 것이 복잡합니다. 이를 해결하기 위해 충분히 밝은 빛을 방출하여 높은 신호 대 잡음비를 확보하고, 주변광 간섭을 최소화하기 위해 적절한 파장을 선택합니다. 또 다른 방법은 손전등의 SOS 신호처럼 방출된 빛을 인코딩하여 반사된 빛과 구별되도록 하는 것입니다.

이 시리즈는 dTOF와 iTOF를 비교하고, 두 시스템의 차이점, 장점 및 과제를 자세히 논의하며, 제공하는 정보의 복잡성에 따라 1D TOF부터 3D TOF까지 TOF 시스템을 분류합니다.

dTOF

직접 시간차 측정법(dTOF)은 광자의 비행 시간을 직접 측정합니다. 핵심 구성 요소인 단일 광자 눈사태 다이오드(SPAD)는 단일 광자를 감지할 수 있을 만큼 민감합니다. dTOF는 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC)를 사용하여 광자 도착 시간을 측정하고, 특정 시간 차이의 가장 높은 빈도를 기반으로 히스토그램을 구성하여 가장 가능성이 높은 거리를 추론합니다.

아이토프

간접 시간차 측정(iTOF)은 송신 파형과 수신 파형 간의 위상차를 기반으로 비행 시간을 계산하며, 일반적으로 연속파 또는 펄스 변조 신호를 사용합니다. iTOF는 표준 이미지 센서 아키텍처를 활용하여 시간에 따른 빛의 강도를 측정할 수 있습니다.

iTOF는 연속파 변조(CW-iTOF)와 펄스 변조(Pulsed-iTOF)로 세분화됩니다. CW-iTOF는 송신된 정현파와 수신된 정현파 사이의 위상차를 측정하는 반면, Pulsed-iTOF는 사각파 신호를 사용하여 위상차를 계산합니다.

추가 자료:

위키피디아. (날짜 미상). 비행 시간. 다음에서 가져옴https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
소니 반도체 솔루션 그룹. (날짜 미상). ToF(Time of Flight) | 이미지 센서의 공통 기술. 출처:https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021년 2월 4일). Microsoft Time Of Flight(ToF) 소개 - Azure Depth Platform. 다음에서 가져옴https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023년 3월 2일). 비행시간(TOF) 센서: 심층 개요 및 응용 분야. 다음에서 가져옴https://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications