ニュース - TOF（飛行時間）システムの基本原則と適用

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このシリーズは、フライト（TOF）システムの詳細かつ進歩的な理解を読者に提供することを目的としています。コンテンツは、間接的なTOF（ITOF）とDirect TOF（DTOF）の両方の詳細な説明を含む、TOFシステムの包括的な概要をカバーしています。これらのセクションは、システムパラメーター、その利点と短所、およびさまざまなアルゴリズムを掘り下げます。この記事では、垂直キャビティ表面放射レーザー（VCSEL）、トランスミッションおよび受信レンズ、ASICなどのセンサーを受け取るセンサー、ASICなどのドライバー回路など、TOFシステムのさまざまなコンポーネントも調査します。

TOFの紹介（飛行時間）

基本原則

飛行時間に立っているTOFは、光が媒体で特定の距離を移動するのにかかる時間を計算することにより、距離を測定するために使用される方法です。この原則は、主に光学シナリオに適用され、比較的簡単です。このプロセスには、発光の時間が記録された光のビームを放出する光源が含まれます。この光はターゲットを反射し、受信機によってキャプチャされ、受信時間が記録されます。 Tとして示されるこれらの時間の違いは、距離（d =光の速度（c）×t / 2）を決定します。

TOFセンサーの種類

TOFセンサーには、光学と電磁の2つの主要なタイプがあります。より一般的な光学TOFセンサーは、距離測定のために、通常、赤外線範囲で、光パルスを利用します。これらのパルスはセンサーから放出され、オブジェクトから反射し、センサーに戻り、移動時間が測定され、距離の計算に使用されます。対照的に、電磁TOFセンサーは、レーダーやライダーなどの電磁波を使用して距離を測定します。彼らは同様の原則で動作しますが、異なる媒体を使用します距離測定.

TOFセンサーのアプリケーション

TOFセンサーは汎用性が高く、さまざまなフィールドに統合されています。

ロボット工学：障害物の検出とナビゲーションに使用されます。たとえば、RoombaやBoston DynamicsのAtlasなどのロボットは、周囲をマッピングして計画の動きをマッピングするために、深さカメラを使用しています。

セキュリティシステム:侵入者を検出したり、アラームを引き起こしたり、カメラシステムをアクティブにしたりするための一般的なモーションセンサー。

自動車産業:アダプティブクルーズコントロールと衝突回避のためにドライバーアシストシステムに組み込まれ、新しい車両モデルでますます一般的になりました。

医療分野：光学コヒーレンス断層撮影（OCT）などの非侵襲的なイメージングと診断に使用され、高解像度組織画像の生成。

家電：顔認識、生体認証、ジェスチャー認識などの機能用のスマートフォン、タブレット、ラップトップに統合されています。

ドローン：ナビゲーション、衝突回避、プライバシーと航空の懸念への対処に利用される

TOFシステムアーキテクチャ

典型的なTOFシステムは、説明されているように距離測定を実現するためのいくつかの重要なコンポーネントで構成されています。

· 送信機（TX）：これには、主にaが含まれますvcsel、レーザーを駆動するドライバー回路ASIC、およびコリメーションレンズや回折光学要素、フィルターなどのビーム制御用の光学成分。
· レシーバー（RX）：これは、受信側のレンズとフィルター、TOFシステムに応じてCIS、SPAD、SIPMなどのセンサー、および受信機チップからの大量のデータを処理するための画像信号プロセッサ（ISP）で構成されています。
·電力管理：安定した管理VCSELの電流制御とSPADの高電圧は非常に重要であり、堅牢な電力管理が必要です。
· ソフトウェアレイヤー：これには、ファームウェア、SDK、OS、およびアプリケーションレイヤーが含まれます。

アーキテクチャは、VCSELに由来し、光学コンポーネントによって変更され、空間を移動し、オブジェクトを反映し、レシーバーに戻す方法を示しています。このプロセスでの時間経過計算により、距離または深度情報が明らかになります。ただし、このアーキテクチャでは、シリーズの後半で説明するリフレクションからの日光誘発ノイズや反射からのマルチパスノイズなど、ノイズパスをカバーしません。

TOFシステムの分類

TOFシステムは、主に距離測定技術によって分類されます：直接的なTOF（DTOF）と間接的なTOF（ITOF）。それぞれが異なるハードウェアとアルゴリズムアプローチを備えています。このシリーズは、当初、その利点、課題、システムパラメーターの比較分析を掘り下げる前に、原則を概説しています。

TOFの一見単純な原則にもかかわらず、光パルスを放出し、距離を計算するための戻りを検出するという原則にもかかわらず、複雑さは、リターン光を周囲の光と区別することにあります。これは、高い信号対雑音比を達成するために十分に明るい光を放出し、適切な波長を選択して環境の光干渉を最小限に抑えることによって対処されます。別のアプローチは、放出された光をエンコードして、懐中電灯を備えたSOS信号と同様に、戻ってきたときに区別できるようにすることです。

このシリーズは、DTOFとITOFを比較し、それらの違い、利点、課題について詳細に議論し、1D TOFから3D TOFまでの範囲の情報の複雑さに基づいてTOFシステムをさらに分類します。

dtof

直接的なTOFは、光子の飛行時間を直接測定します。その重要なコンポーネントである単一光子雪崩ダイオード（SPAD）は、単一光子を検出するのに十分な感度があります。 DTOFは、時間相関単一光子カウント（TCSPC）を使用して光子到着の時間を測定し、特定の時間差の最も高い周波数に基づいて最も可能性の高い距離を推定するヒストグラムを構築します。

itof

間接的なTOFは、一般に連続波またはパルス変調信号を使用して、放出された波形と受信波形の位相差に基づいて飛行時間を計算します。 ITOFは、標準のイメージセンサーアーキテクチャを使用して、時間の経過とともに光強度を測定できます。

ITOFは、さらに連続波動変調（CW-ITOF）およびパルス変調（パルス-ITOF）に細分化されます。 CW-ITOFは、放出された正弦波波と受信した正弦波の間の位相シフトを測定しますが、平方波信号を使用して位相シフトを計算します。

未来の読書：

ウィキペディア。（nd）。飛行時間。から取得https://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group。（nd）。 TOF（飛行時間）|画像センサーの一般的な技術。から取得https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
マイクロソフト。（2021年、2月4日）。 Microsoft Time of Flight（TOF）へのイントロ - Azure Depth Platform。から取得https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-offlight-tof
エスカテック。（2023年3月2日）。飛行時間（TOF）センサー：詳細な概要とアプリケーション。から取得https://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-fepth-overview-and-applications

Webページからhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/

著者：Chao Guang

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