速報投稿のためにソーシャルメディアを購読する
このシリーズは、読者の皆様にTime of Flight（TOF）システムについて深く段階的に理解していただくことを目的としています。本シリーズでは、TOFシステムの包括的な概要を網羅し、間接TOF（iTOF）と直接TOF（dTOF）の両方の詳細な説明も行います。各セクションでは、システムパラメータ、それぞれの長所と短所、そして様々なアルゴリズムについて深く掘り下げます。また、垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）、送受信レンズ、CIS、APD、SPAD、SiPMなどの受信センサー、ASICなどの駆動回路など、TOFシステムの様々なコンポーネントについても解説します。
TOF（Time of Flight）入門
基本原則
TOF（Time of Flight）は、光が媒体中を一定距離移動するのにかかる時間を計算することで距離を測定する手法です。この原理は主に光学TOFの用途に適用され、比較的単純です。このプロセスでは、光源から光線を放射し、放射時刻を記録します。この光はターゲットで反射し、受信機で捉えられ、受信時刻が記録されます。これらの時間の差（t）が距離を決定します（d = 光速（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つの主要なタイプがあります。より一般的な光学式ToFセンサーは、通常赤外線領域の光パルスを用いて距離を測定します。これらのパルスはセンサーから発射され、物体で反射してセンサーに戻ります。ここで移動時間を測定し、距離を計算します。一方、電磁式ToFセンサーは、レーダーやライダーと同様に電磁波を用いて距離を測定します。どちらも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センサーの用途
ToF センサーは汎用性が高く、さまざまな分野に導入されています。
ロボット工学:障害物検知とナビゲーションに使用されます。例えば、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、周囲の地図を作成し、動作を計画するためにToF深度カメラを採用しています。
セキュリティシステム:侵入者を検知したり、アラームをトリガーしたり、カメラ システムを起動したりするためのモーション センサーでよく使用されます。
自動車産業:アダプティブクルーズコントロールや衝突回避のための運転支援システムに組み込まれ、新しい車両モデルでますます普及しつつあります。
医療分野: 光干渉断層撮影 (OCT) などの非侵襲的な画像診断に使用され、高解像度の組織画像を生成します。
家電: 顔認識、生体認証、ジェスチャー認識などの機能のためにスマートフォン、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に関する懸念への対応に活用されます。
TOFシステムアーキテクチャ
一般的な TOF システムは、説明されている距離測定を実現するためのいくつかの主要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ドライバ回路 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 システムに応じて CIS、SPAD、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ための画像信号プロセッサ (ISP) で構成されます。
·電源管理:安定した管理VCSEL の電流制御と SPAD の高電圧制御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から発せられ、光学部品によって変調されたレーザービームが空間を伝播し、物体で反射して受信機に戻る様子を示しています。このプロセスにおける時間経過の計算により、距離や深度情報が得られます。ただし、このアーキテクチャは、太陽光によ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。これらについては、本シリーズの後半で説明します。
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直接TOF（dTOF）と間接TOF（iTOF）に分類され、それぞれ異なるハードウェアとアルゴリズムのアプローチを採用しています。本シリーズでは、まずそれぞれの原理を概説した後、それぞれの利点、課題、システムパラメータの比較分析を詳しく解説します。
TOFの原理は、光パルスを発射し、その戻り光を検知して距離を算出するという一見単純なものに見えますが、複雑なのは、戻り光を周囲光と区別することです。この問題に対処するには、高い信号対雑音比を実現するのに十分な明るさの光を発射し、周囲光による干渉を最小限に抑える適切な波長を選択します。もう一つのアプローチは、発射した光をエンコードし、戻ってきた際に識別できるようにすることです。これは、懐中電灯を使ったSOS信号に似ています。
このシリーズでは、dTOF と iTOF を比較し、その違い、利点、課題について詳しく説明します。さらに、提供される情報の複雑さに基づいて、1D TOF から 3D TOF まで TOF システムをさらに分類します。
dTOF
Direct TOFは光子の飛行時間を直接測定します。主要部品である単一光子アバランシェダイオード（SPAD）は、単一光子を検出できるほどの高感度を備えています。dTOFは時間相関単一光子計数（TCSPC）を用い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ヒストグラムを作成し、最も可能性の高い距離を推定します。
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位相差に基づいて飛行時間を計算します。iTOF は標準的な画像センサー 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はさらに、連続波変調（CW-iTOF）とパルス変調（Pulsed-iTOF）に分類されます。CW-iTOFは送信された正弦波と受信された正弦波間の位相差を測定し、Pulsed-iTOFは方形波信号を用いて位相差を計算します。
さらに詳しく:
- Wikipedia (nd). 飛行時間. 出典:https://en.wikipedia.org/wiki/飛行時間
- ソニーセミコンダクタソリューションズグループ. (nd). ToF (Time of Flight) | イメージセンサーの共通技術. 出典:https://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (2021年2月4日). Microsoft Time Of Flight (ToF) 入門 - Azure Depth Platform. 出典:https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC (2023年3月2日). Time of Flight (TOF)センサー：詳細な概要と応用。出典：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
免責事項:
当ウェブサイトに掲載されている画像の一部は、教育と情報共有の促進を目的として、インターネットおよびWikipediaから収集したものであることをここに宣言します。当社は、すべてのクリエイターの知的財産権を尊重します。これらの画像の使用は、営利目的ではありません。
使用されているコンテンツが著作権を侵害していると思われる場合は、ご連絡ください。知的財産法および規制の遵守を確保するため、画像の削除や適切な帰属表示など、適切な措置を講じます。私たちの目標は、コンテンツが豊富で公平であり、他者の知的財産権を尊重するプラットフォームを維持することです。
下記のメールアドレスまでご連絡ください。sales@lumispot.cn当社は、通知を受け取ったらすぐに行動し、問題解決に100%協力することを保証します。
投稿日時: 2023年12月18日