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

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Diese Reihe vermittelt Lesern ein tiefgreifendes und systematisches Verständnis von Flugzeitmesssystemen (TOF). Die Inhalte bieten einen umfassenden Überblick über TOF-Systeme und beinhalten detaillierte Erläuterungen sowohl des indirekten TOF-Verfahrens (iTOF) als auch des direkten TOF-Verfahrens (dTOF). In diesen Abschnitten werden Systemparameter, deren Vor- und Nachteile sowie verschiedene Algorithmen behandelt. Der Artikel untersucht außerdem die unterschiedlichen 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, bei der die Zeit berechnet wird, die Licht benötigt, um eine bestimmte Strecke in einem Medium zurückzulegen. Dieses Prinzip findet vor allem in optischen TOF-Anwendungen Anwendung und ist relativ einfach. Dabei sendet eine Lichtquelle einen Lichtstrahl aus, dessen Aussendungszeit gemessen wird. Das Licht wird anschließend von einem Ziel reflektiert, von einem Empfänger aufgefangen und dessen Empfangszeit gemessen. Die Differenz dieser Zeiten, bezeichnet als t, ergibt 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 eingesetzt werden, nutzen Lichtimpulse, typischerweise im Infrarotbereich, zur Entfernungsmessung. Diese Impulse werden vom Sensor ausgesendet, von einem Objekt reflektiert und kehren zum Sensor zurück. Dort wird die Laufzeit gemessen und zur Entfernungsberechnung verwendet. Im Gegensatz dazu nutzen elektromagnetische ToF-Sensoren elektromagnetische Wellen, ähnlich wie Radar oder Lidar, zur Entfernungsmessung. Sie funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip, verwenden jedoch ein anderes Medium.Distanzmessung.

Anwendungen von ToF-Sensoren

ToF-Sensoren sind vielseitig und werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt:

Robotik:Sie dienen der Hinderniserkennung und Navigation. Beispielsweise verwenden Roboter wie Roomba und der Atlas von Boston Dynamics ToF-Tiefenkameras, um ihre Umgebung zu kartieren und Bewegungen zu planen.

Sicherheitssysteme:Häufig verwendet in Bewegungsmeldern zur Erkennung von Eindringlingen, zum Auslösen von Alarmen oder zur Aktivierung von Kamerasystemen.

Automobilindustrie:Integriert in Fahrerassistenzsysteme für adaptive Geschwindigkeitsregelung und Kollisionsvermeidung, werden sie in neuen Fahrzeugmodellen immer häufiger eingesetzt.

Medizinischer Bereich: Wird in nicht-invasiven Bildgebungs- und Diagnoseverfahren wie der optischen Kohärenztomographie (OCT) eingesetzt 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 Distanzmessung zu erreichen:

· Sender (Tx):Dies umfasst eine Laserlichtquelle, hauptsächlich eineVCSEL, eine Treiberschaltung (ASIC) zum Ansteuern des Lasers sowie optische Komponenten zur Strahlsteuerung wie Kollimatorlinsen oder diffraktive optische Elemente und Filter.
· Empfänger (Rx):Dies umfasst Linsen und Filter am Empfangsende, Sensoren wie CIS, SPAD oder SiPM je nach TOF-System sowie einen Bildsignalprozessor (ISP) zur Verarbeitung großer Datenmengen vom Empfängerchip.
·Energiemanagement:Stabile VerwaltungDie Stromregelung für VCSELs und die Hochspannung für SPADs sind entscheidend und erfordern ein robustes Energiemanagement.
· Softwareschicht:Dies umfasst Firmware, SDK, Betriebssystem und Anwendungsschicht.

Die Architektur veranschaulicht, wie ein Laserstrahl, der vom VCSEL ausgeht und durch optische Komponenten modifiziert wird, sich durch den Raum ausbreitet, von einem Objekt reflektiert wird und zum Empfänger zurückkehrt. Die Zeitrafferberechnung dieses Prozesses liefert Informationen über Entfernung oder Tiefe. Allerdings berücksichtigt diese Architektur keine Störquellen wie sonnenlichtinduziertes Rauschen oder Mehrwegeausbreitung durch Reflexionen, die später in dieser Reihe behandelt werden.

Klassifizierung von TOF-Systemen

TOF-Systeme werden primär anhand ihrer Distanzmesstechniken kategorisiert: direktes TOF (dTOF) und indirektes TOF (iTOF), die jeweils unterschiedliche Hardware- und Algorithmenansätze verwenden. Die Reihe erläutert zunächst deren Prinzipien, bevor sie eine vergleichende Analyse ihrer Vorteile, Herausforderungen und Systemparameter beinhaltet.

Trotz des scheinbar einfachen Prinzips der Flugzeitmessung – Aussenden eines Lichtimpulses und Detektieren seines Rücklaufs zur Entfernungsberechnung – liegt die Komplexität darin, das zurückkehrende Licht vom Umgebungslicht zu unterscheiden. Dies wird durch das Aussenden eines ausreichend hellen Lichts erreicht, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, und durch die Wahl geeigneter Wellenlängen zur Minimierung von Umgebungslichtstörungen. Ein anderer Ansatz besteht darin, das ausgesendete Licht so zu kodieren, dass es beim Zurückkehren unterscheidbar ist, ähnlich wie bei SOS-Signalen mit einer Taschenlampe.

Im weiteren Verlauf der Reihe werden dTOF und iTOF verglichen, wobei ihre Unterschiede, Vorteile und Herausforderungen detailliert erörtert werden. Darüber hinaus werden TOF-Systeme anhand der Komplexität der von ihnen gelieferten Informationen kategorisiert, von 1D TOF bis 3D TOF.

dTOF

Die direkte Flugzeitmessung (TOF) misst die Flugzeit von Photonen direkt. Ihre Schlüsselkomponente, die Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD), ist empfindlich genug, um einzelne Photonen zu detektieren. dTOF nutzt die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC), um die Ankunftszeiten der Photonen zu messen und ein Histogramm zu erstellen. Daraus wird die wahrscheinlichste Entfernung anhand der höchsten Häufigkeit einer bestimmten Zeitdifferenz abgeleitet.

iTOF

Die indirekte Flugzeitmessung (TOF) berechnet die Flugzeit anhand der Phasendifferenz zwischen ausgesendeten und empfangenen Wellenformen, üblicherweise mithilfe von Dauerstrich- oder Pulsmodulationssignalen. Die inverse Flugzeitmessung (iTOF) kann Standard-Bildsensorarchitekturen nutzen und die Lichtintensität über die Zeit messen.

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

Weiterführende Literatur:

Wikipedia. (o. J.). Flugzeit. Abgerufen vonhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (o. J.). ToF (Time of Flight) | Gängige Technologie von 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 (TOF)-Sensoren: Ein ausführlicher 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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