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이 시리즈는 독자에게 비행 시간 (TOF) 시스템에 대한 심층적이고 진보적 인 이해를 제공하는 것을 목표로합니다. 이 컨텐츠는 간접 TOF (ITOF) 및 DTOF (Direct TOF)에 대한 자세한 설명을 포함하여 TOF 시스템에 대한 포괄적 인 개요를 다룹니다. 이 섹션에서는 시스템 매개 변수, 장점 및 단점 및 다양한 알고리즘을 탐구합니다. 이 기사는 또한 수직 캐비티 표면 방출 레이저 (VCSELS), 변속기 및 수신 렌즈, CIS, APD, SPAD, SIPM 및 ASICS와 같은 운전자 회로와 같은 센서 수신과 같은 TOF 시스템의 다양한 구성 요소를 탐색합니다.
TOF 소개 (비행 시간)
기본 원칙
비행 시간 동안 서있는 TOF는 광선이 매체에서 특정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 계산하여 거리를 측정하는 데 사용되는 방법입니다. 이 원칙은 주로 광학 TOF 시나리오에 적용되며 비교적 간단합니다. 이 과정은 방출 시간이 기록 된 채 빛의 광선을 방출하는 광원을 포함합니다. 그런 다음이 빛은 대상을 반사하고 수신기에 의해 포착되며 수신 시간이 주목됩니다. 이 시간의 차이는 t로 표시되며 거리 (d = 빛의 속도 (c) × t / 2)를 결정합니다.
TOF 센서의 유형
TOF 센서에는 두 가지 유형의 TOF 센서가 있습니다 : 광학 및 전자기. 더 일반적 인 광 TOF 센서는 거리 측정을 위해 일반적으로 적외선 범위에서 광 펄스를 사용합니다. 이 펄스는 센서에서 방출되고, 물체를 반사시키고, 여행 시간을 측정하고 거리를 계산하는 데 사용되는 센서로 돌아갑니다. 대조적으로, 전자기 TOF 센서는 레이더 나 리다와 같은 전자기파를 사용하여 거리를 측정합니다. 그들은 비슷한 원칙으로 작동하지만 다른 매체를 사용합니다.거리 측정.
TOF 센서의 응용
TOF 센서는 다재다능하며 다양한 필드에 통합되었습니다.
로봇 공학 :장애물 감지 및 내비게이션에 사용됩니다. 예를 들어, Roomba 및 Boston Dynamics의 Atlas와 같은 로봇은 주변 환경 및 계획 운동을 매핑하기 위해 TOF 깊이 카메라를 사용합니다.
보안 시스템:침입자, 경보 트리거 또는 카메라 시스템 활성화를위한 공통 모션 센서.
자동차 산업:적응 형 크루즈 컨트롤 및 충돌 회피를위한 운전자 보조 시스템에 통합되어 새로운 차량 모델에서 점점 더 널리 퍼져 있습니다.
의료 분야: 비 침습적 이미징 및 진단, 예를 들어 광학 일관성 단층 촬영 (OCT)과 같은 고해상도 조직 이미지를 생성합니다.
소비자 전자 장치: 얼굴 인식, 생체 인증 및 제스처 인식과 같은 기능을위한 스마트 폰, 태블릿 및 랩톱에 통합.
드론 :탐색, 충돌 회피 및 개인 정보 및 항공 문제 해결에 활용
TOF 시스템 아키텍처
일반적인 TOF 시스템은 설명대로 거리 측정을 달성하기 위해 몇 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.
· 송신기 (TX) :여기에는 주로 레이저 광원이 포함됩니다vcsel, 드라이버 회로 ASIC는 레이저를 구동하고 렌즈 또는 회절 광학 요소 및 필터와 같은 빔 제어를위한 광학 부품.
· 수신기 (RX) :이는 수신 끝에서의 렌즈 및 필터, TOF 시스템에 따라 CIS, SPAD 또는 SIPM과 같은 센서 및 수신기 칩에서 많은 양의 데이터를 처리하기위한 이미지 신호 프로세서 (ISP)로 구성됩니다.
·전력 관리 :안정적인 관리VCSELS의 전류 제어 및 스파드의 고전압이 중요하므로 강력한 전력 관리가 필요합니다.
· 소프트웨어 계층 :여기에는 펌웨어, SDK, OS 및 응용 프로그램 계층이 포함됩니다.
이 아키텍처는 VCSEL에서 유래하고 광학 구성 요소로 수정 된 레이저 빔이 어떻게 수정되고, 공간을 통해 이동하고, 물체를 반사하고, 수신기로 돌아가는지를 보여줍니다. 이 프로세스의 타임 랩스 계산은 거리 또는 깊이 정보를 보여줍니다. 그러나이 아키텍처는 햇빛으로 인한 노이즈 또는 반사의 다중 경로 소음과 같은 소음 경로를 다루지 않으며,이 시리즈의 뒷부분에서 논의됩니다.
TOF 시스템의 분류
TOF 시스템은 주로 거리 측정 기술로 분류됩니다 : 직접 TOF (DTOF) 및 간접 TOF (ITOF)는 각각 별도의 하드웨어 및 알고리즘 접근법을 갖습니다. 이 시리즈는 처음에 그들의 장점, 과제 및 시스템 매개 변수에 대한 비교 분석을 탐구하기 전에 원칙을 요약합니다.
TOF의 단순한 원리에도 불구하고 - 빛 펄스를 방출하고 거리를 계산하기위한 복귀를 감지하는 것은 복잡성이 반환 빛을 주변 광와 차별화하는 데 있습니다. 이는 신호 대 잡음비를 높이기 위해 충분히 밝은 빛을 방출하고 환경 조명 간섭을 최소화하기 위해 적절한 파장을 선택함으로써 해결됩니다. 또 다른 접근법은 방출 된 빛을 인코딩하여 손전등이있는 SOS 신호와 유사하게 반품시 구별 할 수 있도록하는 것입니다.
이 시리즈는 DTOF와 ITOF를 비교하고 차이점, 장점 및 과제에 대해 자세히 논의하고 1D TOF에서 3D TOF까지 제공하는 정보의 복잡성에 따라 TOF 시스템을 추가로 분류합니다.
DTOF
직접 TOF는 광자의 비행 시간을 직접 측정합니다. 주요 구성 요소 인 단일 광자 눈사태 다이오드 (SPAD)는 단일 광자를 감지 할만 큼 민감합니다. DTOF는 광자 도착 시간을 측정하기 위해 시간 상관 관계 단일 광자 계수 (TCSPC)를 사용하여 특정시기 차이의 가장 높은 빈도를 기준으로 가장 가능성이 높은 거리를 추론하는 히스토그램을 구성합니다.
Itof
간접 TOF는 일반적으로 연속파 또는 펄스 변조 신호를 사용하여 방출 된 파형과 수신 된 파형의 위상차에 따라 비행 시간을 계산합니다. ITOF는 표준 이미지 센서 아키텍처를 사용할 수 있으며 시간이 지남에 따라 광 강도를 측정 할 수 있습니다.
ITOF는 연속파 변조 (CW-ITOF) 및 펄스 변조 (PULSED-ITOF)로 추가로 세분화된다. CW-ITOF는 방출 및 수신 된 정현파파 사이의 위상 이동을 측정하는 반면, Pulsed-itof는 제곱파 신호를 사용하여 위상 이동을 계산합니다.
미래의 독서 :
- 위키 백과. (nd). 비행 시간. 검색https://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
- 소니 반도체 솔루션 그룹. (nd). TOF (비행 시간) | 이미지 센서의 일반적인 기술. 검색https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- 마이크로 소프트. (2021, 2 월 4 일). TOF (Microsoft Time of Flight) - Azure 깊이 플랫폼에 대한 소개. 검색https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-of-flight-tof
- 에스 카테. (2023 년 3 월 2 일). 비행 시간 (TOF) 센서 : 심층 개요 및 응용 프로그램. 검색https://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-ustth-overview-and-applications
웹 페이지에서https://faster-than-light.net/tofsystem_c1/
저자 : Chao Guang
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