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このシリーズは、読者に飛行時間 (TOF) システムについての深くて進歩的な理解を提供することを目的としています。このコンテンツは、間接 TOF (iTOF) と直接 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では、システム パラメーター、その長所と短所、およびさまざまなアルゴリズムについて詳しく説明します。この記事では、垂直共振器面発光レーザー (VCSEL)、送信および受信レンズ、CIS、APD、SPAD、SiPM などの受信センサー、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についても説明します。
TOF(タイム・オブ・フライト)の概要
基本原則
TOF は Time of Flight の略で、光が媒体中を特定の距離に移動するのにかかる時間を計算することによって距離を測定するために使用される方法です。この原理は主に光 TOF シナリオに適用され、比較的簡単です。このプロセスには、光源が光線を放射し、その放射時間が記録されることが含まれます。この光はターゲットで反射し、受信機によって捕捉され、受信時間が記録されます。 t で示されるこれらの時間の差が距離を決定します (d = 光の速度 (c) × t / 2)。
ToFセンサーの種類
ToF センサーには、光学式と電磁式の 2 つの主なタイプがあります。より一般的な光学 ToF センサーは、距離測定に通常は赤外線範囲の光パルスを利用します。これらのパルスはセンサーから発せられ、物体で反射してセンサーに戻り、そこで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と同様に電磁波を使用して距離を測定します。それらは同様の原理で動作しますが、使用する媒体が異なります。距離測定.
ToFセンサーの応用例
ToF センサーは多用途であり、さまざまな分野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、ルンバやボストン ダイナミクスのアトラスなどのロボットは、周囲のマッピングや動作の計画に ToF 深度カメラを採用しています。
セキュリティシステム:侵入者の検出、警報の作動、またはカメラ システムの起動のためのモーション センサーで一般的です。
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の運転支援システムに組み込まれており、新しい車両モデルでますます普及しています。
医療分野: 光コヒーレンストモグラフィー (OCT) などの非侵襲性イメージングおよび診断に使用され、高解像度の組織画像が生成されます。
家電: 顔認識、生体認証、ジェスチャー認識などの機能をスマートフォン、タブレット、ラップトップに統合します。
ドローン:ナビゲーション、衝突回避、プライバシーと航空上の懸念への対処に利用されます。
TOFシステムアーキテクチャ
一般的な 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主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、主にレーザー光源が含まれます。VCSEL、レーザーを駆動するためのドライバー回路ASIC、コリメートレンズや回折光学素子、フィルターなどのビーム制御用の光学部品。
· 受信機 (Rx):これは、受信側のレンズとフィルター、TOF システムに応じた CIS、SPAD、または SiPM などのセンサー、および受信チップからの大量のデータを処理する画像信号プロセッサー (ISP) で構成されます。
·電源管理:安定した経営VCSEL の電流制御と SPAD の高電圧は非常に重要であり、堅牢な電源管理が必要です。
· ソフトウェア層:これには、ファームウェア、SDK、OS、アプリケーション層が含まれます。
このアーキテクチャは、VCSEL から発生し、光学コンポーネントによって変更されたレーザー ビームがどのように空間を移動し、物体で反射して受信機に戻るかを示しています。このプロセスにおけるタイムラプス計算により、距離または深さの情報が明らかになります。ただし、このアーキテクチャは、このシリーズの後半で説明する、太陽光に起因するノイズや反射によるマルチパス ノイズなどのノイズ パスをカバーしていません。
TOFシステムの分類
TOF システムは主に、直接 TOF (dTOF) と間接 TOF (iTOF) という距離測定技術によって分類され、それぞれに異なるハードウェアおよびアルゴリズムのアプローチが採用されています。このシリーズでは、最初にその原理の概要を説明し、その後、その利点、課題、システム パラメータの比較分析を掘り下げます。
光パルスを放射し、その戻りを検出して距離を計算するという TOF の一見単純な原理にもかかわらず、複雑さは戻り光と周囲光を区別することにあります。この問題は、高い信号対雑音比を達成するために十分に明るい光を発し、環境光の干渉を最小限に抑えるために適切な波長を選択することによって解決されます。もう 1 つのアプローチは、懐中電灯による SOS 信号と同様に、放射された光をエンコードして、戻ってきたときに区別できるようにすることです。
このシリーズでは、dTOF と iTOF を比較し、その違い、利点、課題について詳細に説明し、提供される情報の複雑さに基づいて TOF システムを 1D TOF から 3D TOF まで分類します。
dTOF
Direct TOF は、光子の飛行時間を直接測定します。その主要コンポーネントである単一光子アバランシェ ダイオード (SPAD) は、単一光子を検出するのに十分な感度を持っています。 dTOF は、時間相関単一光子計数 (TCSPC) を採用して光子の到着時間を測定し、特定の時間差の最高頻度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 TOF は、通常、連続波またはパルス変調信号を使用して、送信波形と受信波形の間の位相差に基づいて飛行時間を計算します。 iTOF は、標準的なイメージ センサー アーキテクチャを使用して、時間の経過に伴う光強度を測定できます。
iTOF は、連続波変調 (CW-iTOF) とパルス変調 (Pulsed-iTOF) にさらに細分されます。 CW-iTOF は送信正弦波と受信正弦波間の位相シフトを測定し、Pulsed-iTOF は方形波信号を使用して位相シフトを計算します。
さらに読む:
- ウィキペディア。 (nd)。飛行時間。から取得https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- ソニーセミコンダクタソリューショングループ。 (nd)。 ToF (タイムオブフライト) |イメージセンサーの共通技術。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) - Azure Depth Platform の紹介。から取得https://devblogs.microsoft.com/azure- Depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- エスカテック。 （2023年3月2日）。飛行時間 (TOF) センサー: 詳しい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- Depth-overview-and-applications
ウェブページからhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
著者：チャオ・グアン
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投稿日時: 2023 年 12 月 18 日