Neuigkeiten - Grundprinzip und Anwendung des TOF-Systems (Time of Flight)

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Diese Serie vermittelt den Lesern ein tiefgreifendes und fortschrittliches Verständnis des Time-of-Flight-Systems (TOF). Der Inhalt bietet einen umfassenden Überblick über TOF-Systeme, einschließlich detaillierter Erläuterungen zu indirektem TOF (iTOF) und direktem TOF (dTOF). Diese Abschnitte befassen sich eingehend mit Systemparametern, deren Vor- und Nachteilen sowie verschiedenen Algorithmen. Der Artikel untersucht außerdem die verschiedenen Komponenten von TOF-Systemen, wie z. B. VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers), Sende- und Empfangslinsen, Empfangssensoren wie CIS, APD, SPAD und SiPM sowie Treiberschaltungen wie ASICs.

Einführung in TOF (Time of Flight)

Grundprinzipien

TOF (Time of Flight) ist eine Methode zur Entfernungsmessung. Dabei wird die Zeit berechnet, die Licht benötigt, um eine bestimmte Strecke in einem Medium zurückzulegen. Dieses Prinzip wird hauptsächlich in optischen TOF-Szenarien angewendet und ist relativ einfach. Dabei sendet eine Lichtquelle einen Lichtstrahl aus, dessen Sendezeitpunkt aufgezeichnet wird. Dieses Licht wird dann von einem Ziel reflektiert, von einem Empfänger erfasst und der Empfangszeitpunkt notiert. Die Differenz dieser Zeiten, bezeichnet als t, bestimmt die Entfernung (d = Lichtgeschwindigkeit (c) × t / 2).

Arten von ToF-Sensoren

Es gibt zwei Haupttypen von ToF-Sensoren: optische und elektromagnetische. Optische ToF-Sensoren, die häufiger verwendet werden, nutzen Lichtimpulse, typischerweise im Infrarotbereich, zur Entfernungsmessung. Diese Impulse werden vom Sensor ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und kehren zum Sensor zurück, wo die Laufzeit gemessen und zur Berechnung der Entfernung verwendet wird. Elektromagnetische ToF-Sensoren hingegen nutzen elektromagnetische Wellen, wie Radar oder Lidar, zur Entfernungsmessung. Sie funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip, verwenden aber ein anderes Medium fürDistanzmessung.

Anwendungen von ToF-Sensoren

ToF-Sensoren sind vielseitig einsetzbar und wurden in verschiedenen Bereichen integriert:

Robotik:Wird zur Hinderniserkennung und Navigation verwendet. Roboter wie Roomba und der Atlas von Boston Dynamics nutzen beispielsweise ToF-Tiefenkameras, um ihre Umgebung zu kartieren und Bewegungen zu planen.

Sicherheitssysteme:Häufig in Bewegungssensoren zum Erkennen von Eindringlingen, Auslösen von Alarmen oder Aktivieren von Kamerasystemen.

Automobilindustrie:Integriert in Fahrerassistenzsysteme zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung und Kollisionsvermeidung, die in neuen Fahrzeugmodellen immer häufiger zum Einsatz kommen.

Medizinischer Bereich: Wird in der nichtinvasiven Bildgebung und Diagnostik eingesetzt, beispielsweise in der optischen Kohärenztomographie (OCT), und erzeugt hochauflösende Gewebebilder.

Unterhaltungselektronik: Integriert in Smartphones, Tablets und Laptops für Funktionen wie Gesichtserkennung, biometrische Authentifizierung und Gestenerkennung.

Drohnen:Wird zur Navigation, Kollisionsvermeidung und zur Berücksichtigung von Datenschutz- und Luftfahrtbedenken eingesetzt.

TOF-Systemarchitektur

Ein typisches TOF-System besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten, um die beschriebene Entfernungsmessung durchzuführen:

· Sender (Tx):Hierzu gehört eine Laserlichtquelle, im Wesentlichen einVCSEL, eine Treiberschaltung ASIC zum Ansteuern des Lasers und optische Komponenten zur Strahlsteuerung wie Kollimationslinsen oder diffraktive optische Elemente und Filter.
· Empfänger (Rx):Dieses besteht aus Linsen und Filtern auf der Empfangsseite, Sensoren wie CIS, SPAD oder SiPM, je nach TOF-System, und einem Bildsignalprozessor (ISP) zur Verarbeitung großer Datenmengen vom Empfängerchip.
·Energieverwaltung:StallverwaltungDie Stromregelung für VCSELs und die Hochspannung für SPADs sind von entscheidender Bedeutung und erfordern ein robustes Energiemanagement.
· Softwareschicht:Dazu gehören Firmware, SDK, Betriebssystem und Anwendungsschicht.

Die Architektur veranschaulicht, wie ein vom VCSEL ausgehender und durch optische Komponenten modifizierter Laserstrahl durch den Raum wandert, von einem Objekt reflektiert wird und zum Empfänger zurückkehrt. Die dabei entstehende Zeitrafferberechnung liefert Informationen über Entfernung oder Tiefe. Diese Architektur berücksichtigt jedoch keine Rauschpfade, wie z. B. sonnenlichtbedingtes Rauschen oder Mehrwegerauschen durch Reflexionen, die später in dieser Serie besprochen werden.

Klassifizierung von TOF-Systemen

TOF-Systeme werden hauptsächlich nach ihren Distanzmessverfahren kategorisiert: direktes TOF (dTOF) und indirektes TOF (iTOF), jeweils mit unterschiedlichen Hardware- und Algorithmus-Ansätzen. Die Serie skizziert zunächst ihre Prinzipien, bevor sie eine vergleichende Analyse ihrer Vorteile, Herausforderungen und Systemparameter durchführt.

Trotz des scheinbar einfachen Prinzips von TOF – Aussenden eines Lichtimpulses und Detektieren seiner Rückkehr zur Berechnung der Entfernung – liegt die Komplexität in der Unterscheidung des zurückkehrenden Lichts vom Umgebungslicht. Dies wird durch die Aussendung ausreichend hellen Lichts erreicht, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, und die Wahl geeigneter Wellenlängen, um Störungen durch Umgebungslicht zu minimieren. Ein anderer Ansatz besteht darin, das ausgesendete Licht zu kodieren, um es bei der Rückkehr unterscheidbar zu machen, ähnlich wie SOS-Signale einer Taschenlampe.

Die Serie vergleicht anschließend dTOF und iTOF, erörtert detailliert ihre Unterschiede, Vorteile und Herausforderungen und kategorisiert TOF-Systeme weiter anhand der Komplexität der von ihnen bereitgestellten Informationen, von 1D-TOF bis 3D-TOF.

dTOF

Direct TOF misst die Flugzeit des Photons direkt. Seine Schlüsselkomponente, die Single Photon Avalanche Diode (SPAD), ist empfindlich genug, um einzelne Photonen zu detektieren. dTOF nutzt Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC), um die Ankunftszeit der Photonen zu messen. Aus einem Histogramm lässt sich die wahrscheinlichste Entfernung basierend auf der höchsten Frequenz einer bestimmten Zeitdifferenz ableiten.

iTOF

Indirekte TOF berechnet die Flugzeit basierend auf der Phasendifferenz zwischen gesendeten und empfangenen Wellenformen, üblicherweise unter Verwendung von Dauerstrich- oder Pulsmodulationssignalen. iTOF kann Standard-Bildsensorarchitekturen verwenden und die Lichtintensität im Zeitverlauf messen.

iTOF wird weiter unterteilt in Dauerstrichmodulation (CW-iTOF) und Pulsmodulation (Pulsed-iTOF). CW-iTOF misst die Phasenverschiebung zwischen ausgesendeten und empfangenen Sinuswellen, während Pulsed-iTOF die Phasenverschiebung anhand von Rechtecksignalen berechnet.

Weiterführende Literatur:

Wikipedia. (nd). Flugzeit. Abgerufen vonhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_Flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Gängige Technologie für Bildsensoren. Abgerufen vonhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4. Februar 2021). Einführung in Microsoft Time Of Flight (ToF) – Azure Depth Platform. Abgerufen vonhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2. März 2023). Time-of-Flight-Sensoren (TOF): Ein umfassender Überblick und Anwendungen. Abgerufen vonhttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Von der Webseitehttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

vom Autor: Chao Guang

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