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이 시리즈의 목표는 독자들에게 TOF(Time of Flight) 시스템에 대한 심층적이고 점진적인 이해를 제공하는 것입니다. 이 내용은 iTOF(간접 TOF) 및 dTOF(직접 TOF)에 대한 자세한 설명을 포함하여 TOF 시스템에 대한 포괄적인 개요를 다룹니다. 이 섹션에서는 시스템 매개변수, 해당 매개변수의 장점과 단점, 다양한 알고리즘을 자세히 살펴봅니다. 또한 이 기사에서는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), 전송 및 수신 렌즈, CIS, APD, SPAD, SiPM과 같은 수신 센서, ASIC과 같은 드라이버 회로와 같은 TOF 시스템의 다양한 구성 요소를 살펴봅니다.
TOF(Time of Flight) 소개
기본원리
TOF(Time of Flight)는 Time of Flight의 약자로 빛이 매질 속에서 일정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방식입니다. 이 원리는 주로 광학 TOF 시나리오에 적용되며 비교적 간단합니다. 이 과정에는 광원이 광선을 방출하고 방출 시간이 기록되는 과정이 포함됩니다. 이 빛은 대상에서 반사되어 수신기에 포착되어 수신 시간이 기록됩니다. t로 표시되는 이 시간의 차이가 거리를 결정합니다(d = 빛의 속도(c) × t/2).
ToF 센서의 유형
ToF 센서에는 광학 센서와 전자기 센서의 두 가지 기본 유형이 있습니다. 보다 일반적인 광학 ToF 센서는 거리 측정을 위해 일반적으로 적외선 범위의 광 펄스를 활용합니다. 이러한 펄스는 센서에서 방출되어 물체에 반사된 후 센서로 돌아와서 이동 시간이 측정되고 거리를 계산하는 데 사용됩니다. 반면 전자기 ToF 센서는 레이더나 라이더와 같은 전자기파를 사용해 거리를 측정합니다. 그들은 비슷한 원리로 작동하지만 다른 매체를 사용합니다.거리 측정.
ToF 센서의 응용
ToF 센서는 다목적이며 다양한 분야에 통합되었습니다.
로봇공학:장애물 감지 및 내비게이션에 사용됩니다. 예를 들어 Roomba 및 Boston Dynamics의 Atlas와 같은 로봇은 주변 환경을 매핑하고 움직임을 계획하기 위해 ToF 깊이 카메라를 사용합니다.
보안 시스템:침입자를 감지하고, 경보를 울리고, 카메라 시스템을 활성화하는 동작 센서에 일반적으로 사용됩니다.
자동차 산업:적응형 크루즈 컨트롤 및 충돌 방지를 위한 운전자 보조 시스템에 통합되어 새로운 차량 모델에서 점점 더 보편화되고 있습니다.
의료분야: 광학 간섭 단층 촬영(OCT)과 같은 비침습적 영상 및 진단에 사용되어 고해상도 조직 영상을 생성합니다.
가전제품: 얼굴 인식, 생체 인증, 동작 인식 등의 기능을 스마트폰, 태블릿, 노트북에 통합합니다.
드론:내비게이션, 충돌 방지, 개인 정보 보호 및 항공 문제 해결에 활용됩니다.
TOF 시스템 아키텍처
일반적인 TOF 시스템은 다음과 같이 거리 측정을 달성하기 위한 여러 주요 구성 요소로 구성됩니다.
· 송신기(Tx):여기에는 주로 레이저 광원이 포함됩니다.VCSEL, 레이저를 구동하기 위한 드라이버 회로 ASIC, 시준 렌즈 또는 회절 광학 요소와 같은 빔 제어를 위한 광학 부품 및 필터.
· 수신기(Rx):이는 수신단의 렌즈와 필터, TOF 시스템에 따른 CIS, SPAD, SiPM과 같은 센서, 그리고 수신 칩의 대용량 데이터를 처리하는 이미지 신호 프로세서(ISP)로 구성됩니다.
·전원 관리:안정적인 관리VCSEL의 전류 제어와 SPAD의 고전압은 매우 중요하므로 강력한 전력 관리가 필요합니다.
· 소프트웨어 계층:여기에는 펌웨어, SDK, OS 및 애플리케이션 계층이 포함됩니다.
이 아키텍처는 VCSEL에서 발생하고 광학 구성 요소에 의해 수정되는 레이저 빔이 어떻게 공간을 이동하고 물체에서 반사되어 수신기로 돌아오는지를 보여줍니다. 이 과정에서 시간 경과 계산을 통해 거리나 깊이 정보가 드러납니다. 그러나 이 아키텍처는 햇빛으로 인한 잡음이나 반사로 인한 다중 경로 잡음과 같은 잡음 경로를 다루지 않으며 이에 대해서는 시리즈 후반부에서 설명합니다.
TOF 시스템의 분류
TOF 시스템은 주로 거리 측정 기술에 따라 직접 TOF(dTOF) 및 간접 TOF(iTOF)로 분류되며 각각 고유한 하드웨어 및 알고리즘 접근 방식을 사용합니다. 이 시리즈에서는 먼저 장점, 과제 및 시스템 매개변수를 비교 분석하기 전에 원리를 간략하게 설명합니다.
광 펄스를 방출하고 그 반사를 감지하여 거리를 계산하는 TOF의 단순해 보이는 원리에도 불구하고 반사되는 빛을 주변 광과 구별하는 데에는 복잡성이 있습니다. 이는 높은 신호 대 잡음비를 달성하기 위해 충분히 밝은 빛을 방출하고 환경적 빛 간섭을 최소화하기 위해 적절한 파장을 선택함으로써 해결됩니다. 또 다른 접근 방식은 손전등을 사용한 SOS 신호와 유사하게 방출된 빛을 인코딩하여 반환 시 구별할 수 있도록 하는 것입니다.
이 시리즈에서는 dTOF와 iTOF를 비교하면서 차이점, 장점 및 과제를 자세히 논의하고, 1D TOF에서 3D TOF까지 제공하는 정보의 복잡성을 기준으로 TOF 시스템을 추가로 분류합니다.
dTOF
Direct TOF는 광자의 비행 시간을 직접 측정합니다. 핵심 구성 요소인 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)는 단일 광자를 감지할 만큼 민감합니다. dTOF는 TCSPC(시간 상관 단일 광자 계산)를 사용하여 광자 도착 시간을 측정하고 특정 시간 차이의 가장 높은 빈도를 기반으로 가장 가능성 있는 거리를 추론하는 히스토그램을 구성합니다.
iTOF
간접 TOF는 일반적으로 연속파 또는 펄스 변조 신호를 사용하여 방출된 파형과 수신된 파형 간의 위상차를 기반으로 비행 시간을 계산합니다. iTOF는 표준 이미지 센서 아키텍처를 사용하여 시간 경과에 따른 빛의 강도를 측정할 수 있습니다.
iTOF는 연속파 변조(CW-iTOF)와 펄스 변조(Pulsed-iTOF)로 더 세분화됩니다. CW-iTOF는 방출된 정현파와 수신된 정현파 사이의 위상 변이를 측정하는 반면, Pulsed-iTOF는 구형파 신호를 사용하여 위상 변이를 계산합니다.
추가 자료:
- 위키피디아. (nd). 비행 시간. 검색 위치https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- 소니 반도체 솔루션 그룹. (nd). ToF(비행시간) | 이미지 센서의 공통 기술. 검색 위치https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- 마이크로소프트. (2021년 2월 4일). Microsoft ToF(Time Of Flight) 소개 - Azure Depth 플랫폼. 검색 위치https://devblogs.microsoft.com/azure-length-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- 에스카텍. (2023년 3월 2일). TOF(Time of Flight) 센서: 심층적인 개요 및 응용. 검색 위치https://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-length-overview-and-applications
웹페이지에서https://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
저자 : 차오광
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게시 시간: 2023년 12월 18일