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이 시리즈는 독자들에게 비행시간(TOF) 시스템에 대한 심층적이고 점진적인 이해를 제공하는 것을 목표로 합니다. 본 내용은 간접 TOF(iTOF)와 직접 TOF(dTOF)에 대한 자세한 설명을 포함하여 TOF 시스템에 대한 포괄적인 개요를 다룹니다. 이 섹션에서는 시스템 매개변수, 장단점, 그리고 다양한 알고리즘을 심층적으로 다룹니다. 또한 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL), 송신 및 수신 렌즈, CIS, APD, SPAD, SiPM과 같은 수신 센서, 그리고 ASIC과 같은 구동 회로 등 TOF 시스템의 다양한 구성 요소에 대해서도 살펴봅니다.
TOF(Time of Flight) 소개
기본 원칙
TOF(Time of Flight)는 빛이 매질에서 일정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방법입니다. 이 원리는 주로 광학 TOF 시나리오에 적용되며 비교적 간단합니다. 이 과정은 광원에서 광선을 방출하고 방출 시간을 기록하는 과정입니다. 이 빛은 표적에서 반사되어 수신기에 포착되고, 수신 시간은 측정됩니다. t로 표시되는 이 시간의 차이가 거리를 결정합니다(d = 빛의 속도(c) × t / 2).
ToF 센서의 유형
ToF 센서에는 광학식과 전자기식 두 가지 주요 유형이 있습니다. 더 일반적인 광학식 ToF 센서는 거리 측정을 위해 일반적으로 적외선 범위의 광 펄스를 사용합니다. 이 펄스는 센서에서 방출되어 물체에 반사된 후 센서로 돌아오는데, 센서에서는 이동 시간을 측정하여 거리를 계산합니다. 이와 대조적으로, 전자기식 ToF 센서는 레이더나 라이더와 같은 전자기파를 사용하여 거리를 측정합니다. 두 센서는 작동 원리는 유사하지만 다른 매질을 사용합니다.거리 측정.
ToF 센서의 응용 분야
ToF 센서는 다재다능하며 다양한 분야에 통합되었습니다.
로봇공학:장애물 감지 및 내비게이션에 사용됩니다. 예를 들어, 룸바와 보스턴 다이내믹스의 아틀라스 같은 로봇은 주변 환경을 매핑하고 이동 계획을 세우기 위해 ToF 깊이 카메라를 사용합니다.
보안 시스템:침입자 감지, 경보 발생, 카메라 시스템 작동 등을 위한 모션 센서에 널리 사용됩니다.
자동차 산업:적응형 크루즈 컨트롤과 충돌 회피를 위한 운전자 지원 시스템에 통합되어 새로운 차량 모델에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.
의료 분야: 광 간섭 단층촬영(OCT)과 같은 비침습적 영상 및 진단에 사용되어 고해상도 조직 이미지를 생성합니다.
가전제품: 얼굴 인식, 생체 인증, 제스처 인식 등의 기능을 위해 스마트폰, 태블릿, 노트북에 통합되었습니다.
드론:항해, 충돌 방지, 개인정보 보호 및 항공 문제 해결에 활용됩니다.
TOF 시스템 아키텍처
일반적인 TOF 시스템은 다음과 같이 거리 측정을 달성하기 위한 몇 가지 핵심 구성 요소로 구성됩니다.
· 송신기(Tx):여기에는 주로 레이저 광원이 포함됩니다.VCSEL, 레이저를 구동하기 위한 드라이버 회로 ASIC, 콜리메이팅 렌즈나 회절 광학 소자, 필터와 같은 빔 제어를 위한 광학 부품.
· 수신기(Rx):여기에는 수신단의 렌즈와 필터, TOF 시스템에 따라 CIS, SPAD 또는 SiPM과 같은 센서, 수신기 칩에서 들어오는 대량의 데이터를 처리하기 위한 ISP(Image Signal Processor)가 포함됩니다.
·전원 관리:안정적인 관리VCSEL의 경우 전류 제어가 중요하고 SPAD의 경우 고전압 제어가 중요하므로 견고한 전력 관리가 필요합니다.
· 소프트웨어 계층:여기에는 펌웨어, SDK, OS 및 애플리케이션 계층이 포함됩니다.
이 아키텍처는 VCSEL에서 발생하여 광학 부품에 의해 변형된 레이저 빔이 공간을 통과하여 물체에 반사되어 수신기로 돌아오는 과정을 보여줍니다. 이 과정에서 시간 경과 계산을 통해 거리 또는 깊이 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나 이 아키텍처는 햇빛에 의한 잡음이나 반사로 인한 다중 경로 잡음과 같은 잡음 경로는 다루지 않으며, 이러한 잡음 경로에 대해서는 본 시리즈의 후반부에서 자세히 설명합니다.
TOF 시스템 분류
TOF 시스템은 주로 거리 측정 기술에 따라 직접 TOF(dTOF)와 간접 TOF(iTOF)로 분류되며, 각 기술은 고유한 하드웨어 및 알고리즘 방식을 사용합니다. 본 시리즈에서는 먼저 각 기술의 원리를 간략하게 설명한 후, 장점, 과제, 그리고 시스템 매개변수에 대한 비교 분석을 진행합니다.
TOF의 원리는 겉보기에는 간단해 보이지만, 사실 거리 계산을 위해 광 펄스를 방출하고 반사되는 빛을 감지하는 것은 매우 어렵습니다. 하지만 TOF의 핵심은 반사되는 빛과 주변광을 구분하는 것입니다. 이 문제는 높은 신호대잡음비를 달성할 만큼 충분히 밝은 빛을 방출하고, 주변광 간섭을 최소화하는 적절한 파장을 선택함으로써 해결됩니다. 또 다른 접근법은 손전등으로 SOS 신호를 보내는 것처럼, 방출된 빛을 인코딩하여 반사되는 빛을 구분할 수 있도록 하는 것입니다.
이 시리즈에서는 dTOF와 iTOF를 비교하고, 두 가지의 차이점, 장점, 과제를 자세히 논의하며, 제공하는 정보의 복잡성에 따라 1D TOF부터 3D TOF까지 TOF 시스템을 추가로 분류합니다.
디토프
직접 TOF는 광자의 비행 시간을 직접 측정합니다. 핵심 부품인 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)는 단일 광자를 감지할 수 있을 만큼 민감합니다. dTOF는 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC)를 사용하여 광자의 도착 시간을 측정하고, 특정 시간 차이의 가장 높은 주파수를 기반으로 가장 가능성 있는 거리를 추론하는 히스토그램을 구성합니다.
아이토프
간접 TOF는 일반적으로 연속파 또는 펄스 변조 신호를 사용하여 방출된 파형과 수신된 파형의 위상 차이를 기반으로 비행 시간을 계산합니다. iTOF는 표준 이미지 센서 아키텍처를 사용하여 시간에 따른 빛의 강도를 측정합니다.
iTOF는 연속파 변조(CW-iTOF)와 펄스 변조(Pulsed-iTOF)로 세분됩니다. CW-iTOF는 송출된 정현파와 수신된 정현파 사이의 위상 변화를 측정하는 반면, Pulsed-iTOF는 구형파 신호를 사용하여 위상 변화를 계산합니다.
추가 읽기:
- 위키백과. (nd). 비행 시간. 다음에서 가져옴https://en.wikipedia.org/wiki/비행시간
- 소니 반도체 솔루션 그룹(이하 "소니"). ToF(Time of Flight) | 이미지 센서의 공통 기술. 출처:https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021년 2월 4일). Microsoft ToF(Time Of Flight) 소개 - Azure Depth 플랫폼. 다음에서 가져옴https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2023년 3월 2일). 비행시간(TOF) 센서: 심층적 개요 및 응용 분야. 출처:https://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
웹 페이지에서https://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
저자 : Chao Guang
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게시 시간: 2023년 12월 18일