ToF sensors skaidrojums: dToF pret iToF, izvēle, pielietojumi un problēmu novēršana

Laika-nodotājs sensors mēra attālumu, analizējot atstaroto gaismu, un var nodrošināt vienpunkta, daudzzonu vai pilnu dziļuma datus. Tā veiktspēja ir atkarīga no sensoru metodes, attāluma diapazona, redzes lauka, telpiskās izšķirtspējas, mērķa virsmas, apkārtējās gaismas, optiskā loga, atjaunošanās ātruma un kalibrēšanas. Šis raksts aptver tiešo un netiešo ToF, sensoru izvēli, reālus pielietojumus, salīdzinājumus ar citām attāluma mērīšanas tehnoloģijām un izplatītām mērīšanas problēmām.

Katalogs

Attēls 1. Laika-nodotājs (ToF) sensors

Kas ir ToF sensors?

Laika-nodotājs sensors, ko parasti sauc par ToF sensoru, ir optiskais sensors, kas mēra attālumu starp sensoru un mērķi, nosūtot gaismu un analizējot atstaroto signālu. Atkarībā no sensoru dizaina tas var sniegt vienu attāluma vērtību, vairākas mērīšanas zonas vai pilnu dziļuma karti.

Kā darbojas ToF sensors?

ToF sensors emisē infrasarkano gaismu uz mērķi un mēra atgriezto atstarojumu. Tiešais ToF jeb dToF aprēķina attālumu no gaismas atgriešanās ceļa laika:

Attālums = gaismas ātrums × ceļa laiks ÷ 2

Vērtība tiek dalīta ar divi, jo mērītais laiks ietver gaismas ceļojumu no sensora uz mērķi un atpakaļ uz uztvērēju.

Netiešais ToF jeb iToF mēra fāzes nobīdi starp nosūtīto un atstaroto modulated gaismu:

Attālums = gaismas ātrums × fāzes nobīde ÷ (4 × π × modulācijas frekvence)

Viena frekvences iToF gadījumā fāze atkārtojas pēc viena pilna cikla, kas ierobežo nepārprotamo mērīšanas diapazonu:

Maksimālais nepārprotamais diapazons = gaismas ātrums ÷ (2 × modulācijas frekvence)

Mērķis, kas atrodas ārpus šī diapazona, var radīt to pašu fāzes mērījumu kā tuvāks mērķis. Daudzfrekuences darbība un papildu apstrāde var pagarināt izmantojamo diapazonu vai atrisināt šo neskaidrību.

Tiešais ToF pret netiešo ToF

Attēls 2: Tiešais ToF pret netiešo ToF

Laika-nodotājs mērījumi galvenokārt tiek dalīti tiešajā ToF un netiešajā ToF. Abi izmanto atstaroto gaismu, bet tie atšķiras apgaismojumā, detektēšanā, laika noteikšanā, apstrādē un praktiskajā sistēmas dizainā.

Salīdzinājums faktors	Tiešais ToF (dToF)	Netiešais ToF (iToF)
Mērījumu metode	Mēra gaismas impulsu atgriešanās ceļa laiku	Mēra modulated gaismas fāzes nobīdi
Detektoru arhitektūra	Var izmantot SPAD, lavīnā fotodiodēs, fotodiodēs vai citos laika resolūcijas detektoru dizainos	Parasti izmanto modulētus CMOS ToF pikseļus vai korelācijas balstītas attēlu sensorus
Apgaismojums	Īsas optiskās impulsas, parasti radušās ar lāzeri vai VCSEL	Nepārtraukti vai periodiski modulēte infrasarkanā apgaismošana
Attāluma diapazons	Var atbalstīt īsā, vidējā vai garā attāluma mērījumus atkarībā no arhitektūras	Parasti izmanto īsā līdz vidējā attālumā, lai gan izmantojamais attālums ir atkarīgs no modulācijas un optiskā dizaina
Telpiskā izšķirtspēja	Var nodrošināt vienzonu, daudzzonu vai augstas izšķirtspējas dziļuma datus	Parasti izmanto daudzzonu vai augstākas izšķirtspējas dziļuma attēlošanai
Āra veiktspēja	Atkarīgs no izstarotāja jaudas, uztvērēja jutības, filtrēšanas, optikas un apkārtējā apgaismojuma noraidīšanas	Var darboties ārā, ja tas ir izstrādāts ar piemērotu optisko filtrēšanu, modulāciju, apgaismojumu un apstrādi
Kustības veiktspēja	Var atbalstīt ātru mērīšanu un kustīgus mērķus	Kustība var ietekmēt mērījumus, kas savākti vairāku fāžu paraugu laikā
Pamata apstrāde	Fotonu laika noteikšana, histogrammas analīze vai laika uz digitālo konversiju	Fāzes korelācija un dziļuma aprēķins
Parastās lietojumprogrammas	Attāluma noteikšana, robotika, klātbūtnes noteikšana, dziļuma attēlošana, droni un LiDAR	3D attēlošana, žestu noteikšana, industriālā redze, AR/VR un sejas mērījumi

Tiešais ToF bieži tiek izvēlēts ātrai attālumam un lietojumprogrammām, kas prasa spēcīgu attāluma veiktspēju, bet tas nav ierobežots ar zemas izšķirtspējas izeju. Atkarībā no detektora masīva un apstrādes arhitektūras dToF sistēmas var nodrošināt vienu mērījumu, vairākas zonas vai detalizētu dziļuma informāciju.

Indirect ToF plaši izmanto dziļuma kamerās un telpiskajā attēlošanā. Tas var arī darboties ārā, lai gan spēcīgs saules gaismas, multiplās atspulgu, modulācijas frekvence, optiskā filtrēšana un izstarotāja jauda var ietekmēt tā praktisko diapazonu un precizitāti.

Detektora tips, izšķirtspēja, diapazons un ārējā spēja tādējādi ir jānovērtē, ņemot vērā visu sensoru arhitektūru, nevis tikai dToF vai iToF etiķeti.

Kā izvēlēties ToF sensoru

Sāciet ar izejas formāta izvēli, kas nepieciešams lietojumprogrammai.

Nepieciešamā izeja	Ieteicamā risinājuma	Tipiska lietošana
Viens attāluma vērtība	Vienzonu ToF sensors	Pamata tuvuma, automātiskā fokusa, līmeņa mērīšana un klātbūtnes noteikšana
Objektu pozīcija pār teritoriju	Daudzzonu ToF sensors	Obstakļu atrašana, cilvēku noteikšana, žestu zonas un objektu izsekošana
Detalizēta dziļuma karte	ToF kamera	3D attēlošana, mašīnu redze, AR/VR un ķermeņa vai roku izsekošana
Garā attāluma punktu mākonis	LiDAR	Kartēšana, transportlīdzekļi, droni un garā attāluma robotika

Precizitāte, precizitāte un telpiskā izšķirtspēja apraksta dažādas sensoru veiktspējas daļas. Precizitāte ir tas, cik tuvu izmērītais attālums ir reālajam attālumam. Precizitāte ir tas, cik tuvi atkārtoti mērījumi ir savā starpā. Telpiskā izšķirtspēja ir pieejamo zonu vai pikseļu skaits, lai atdalītu objektus vai ainas detaļas.

Izvēles kategorija	Ko pārbaudīt	Ieteicamā izvēle
Izejas veids	Viens attālums, vairākas zonas, dziļuma attēls vai punktu mākonis	Saskaņojiet sensora formātu ar sistēmas prasīto informāciju
Diapazons un ToF metode	Minimālais diapazons, maksimālais uzticams diapazons, dToF vai iToF	Pārbaudiet nepieciešamo diapazonu, izmantojot reālus apgaismojuma un mērķa apstākļus
Precizitāte un precizitāte	Attāluma kļūda un atkārtotu mērījumu variācija	Izmantojiet augstāku precizitāti pozicionēšanai un augstāku precizitāti stabilai kontrolei
Skata lauks un telpiskā izšķirtspēja	Detekcijas zonas platums, zonu skaits vai dziļuma pikseļi	Izmantojiet šauru redzes lauku fokusētai attālumam un augstākai izšķirtspējai objektu atdalīšanai
Atjaunināšanas ātrums un kustība	Mērījumi vai kadri sekundē, latentums un kustības artefakti	Izmantojiet augstāku atjaunināšanas ātrumu robotiem, žestiem, kustīgiem mērķiem un ražošanas līnijām
Mērķa virsma	Krāsa, infrasarkanais atstarojošs, izmērs, leņķis, spīdums un caurspīdīgums	Pirms apstiprināšanas pārbaudiet tumšus, spīdīgus, caurspīdīgus, slīpus un mazus mērķus
Apkārtējā gaisma	Iekštelpu apgaismojums, saules gaisma un tuvumā esoši infrasarkanie avoti	Izvēlieties spēcīgu apkārtējās gaismas noraidīšanu āra un spilgta apgaismojuma darbībai
Optiskais logs un viļņa garums	Logu materiāls, pārklājums, biezums, atvērums, gaisa atstarpe un infrasarkanais pārraides koeficients	Izmantojiet logu, kas ir saderīgs ar izstarotāja viļņa garumu un sensora izkārtojumu
Interfeiss, jauda un vide	I²C, SPI, MIPI, datu ātrums, aktīvā strāva, gaidīšanas strāva un temperatūra	Apstipriniet saderību ar host processoru, jaudas budžetu un korpusa apstākļiem
Optiskā drošība un atbalsts	Izstarotāja jauda, impulsu nosacījumi, optika, vadītāji, kalibrēšanas rīki un dokumentācija	Pārbaudiet pilna produkta optisko drošību un izvēlieties uzturētu integrācijas atbalstu

Diapazons, precizitāte un apkārtējās gaismas veiktspēja jāapstiprina ar galīgo aizsardzību, optisko logu, montāžas pozīciju, mērķa virsmām un ekspluatācijas apstākļiem. Tehniskajā lapā norādītais maksimālais diapazons pats par sevi negarantē uzticamu veiktspēju pabeigtajā produktā.

Biežākās ToF sensoru lietojumprogrammas un projektēšanas pārbaudes

ToF sensori tiek izmantoti, kur sistēmai jānovērtē attālums, pozīcija, kustība, forma vai dziļums bez fiziska kontakta.

Lietojumprogrammu kategorija	ToF sensora funkcija	Lietojumprogrammas piemērs	Galvenās projektēšanas pārbaudes
Robotika un industriālā automatizācija	Atpazīst šķēršļus, detaļas, rīkus, paletes un slodzes pozīciju	Robota navigācija, konveijera pārbaude, satvērēja pozicionēšana vai paletes izlīdzināšana	Diapazons, skata leņķis, atjaunināšanas biežums, mērķa materiāls, vibrācija un sensora traucējumi
Klātbutne, aizņemšana un cilvēku skaitīšana	Atpazīst cilvēkus vai objektus vienā vai vairākās zonās	Displeja aktivizēšana, piekļuves kontrole, apgaismojuma kontrole vai durvju skaitīšana	Montāžas augstums, detekcijas zonas, pārklājoši mērķi, viltus aktivizēšana un privātums
Kameras automātiskā fokusēšana un attēlošana	Mēra objekta attālumu, lai atbalstītu fokusu	Viedtālrunis, mašīnu redze vai zema gaismas kameru automātiskā fokusēšana	Īsa diapazona precizitāte, skata leņķis, iepakojuma izmērs, jauda un kameras sinhronizācija
Žestu, AR un VR sensori	Ražo telpiskos vai dziļuma datus kustības izsekošanai	Roku žesti, ķermeņa izsekošana un virtuālo objektu novietošana	Telpiska izšķirtspēja, kadru biežums, kustības artefakti, latentums un apkārtējā gaisma
Līmeņa un tuvuma mērīšana	Mēra attālumu līdz virsmai vai tuvam objektam	Tvertne līmeņa, izsaiņošanas uzpildes līmenis vai bezkontakta tuvuma noteikšana	Putu, caurspīdīgums, virsmas kustība, kondensācija, piesārņojums un minimālais diapazons
Projektora un virsmas regulēšana	Mēra attālumu, leņķi vai virsmas pozīciju	Automātiskais fokuss, trapezoīda korekcija un virsmas izlīdzināšana	Mērķa leņķis, atstarošana, reakcijas laiks, skata leņķis un kalibrēšana
Automobiļu un mobilitātes sensori	Atpazīst pasažierus, tuvumā esošus objektus vai apkārtējo ģeometriju	Kabīnes uzraudzība, stāvvietas asistents, durvju noteikšana vai automobiļa attāluma mērīšana	Saules gaismas izslēgšana, diapazons, izšķirtspēja, optiskā drošība, temperatūra un sistēmas uzticamība

Lietojumprogrammas veiktspēja jāapstiprina, izmantojot galīgo montāžas pozīciju, optisko logu, mērķa materiālus, apgaismojuma apstākļus un ekspluatācijas attālumu. Sensori ar vienādu nominālo diapazonu var dot atšķirīgus rezultātus, kad mainās mērķis, aizsardzība vai vide.

Kompaktie ToF sensori vs. LiDAR, ultraskaņas, strukturētā gaisma un stereo redze

ToF sensors ne vienmēr ir atsevišķs no LiDAR, jo daudzas LiDAR sistēmas izmanto tiešu Laika lidojuma mērījumu. Termins ToF sensors parasti attiecas uz kompakto attāluma moduļa vai dziļuma kameru, kamēr LiDAR parasti attiecas uz pilnīgu garo diapazonu vai plašas zonas lāzera noteikšanas sistēmu.

Tehnoloģija	Mērīšanas metode	Galvenā priekšrocība	Galvenā ierobežojuma	Labāk izmantot
ToF sensors	Mēra gaismas ceļošanas laiku vai fāzes nobīdi	Kompakts, ātrs un nodrošina tiešu attāluma izeju	Ietekmē optiskā krustošanās, apkārtējā gaisma un atstarojošas virsmas	Tuvuma noteikšana, dziļuma attēlveidošana, robotika, automātiskā fokuss un klātbutnes noteikšana
LiDAR	Izmanto lāzera balstītas attālumu mērījumu, parasti tiešo ToF	Atbalsta tālu un plašu 3D noteikšanu	Augstāka cena, apstrādes slodze, optiskā sarežģītība un drošības prasības	Transportlīdzekļi, kartēšana, droni, automatizācija un ilgtermiņa robotika
Ultraskaņas sensors	Mēra skaņas viļņu ceļošanas laiku	Var atpazīt caurspīdīgus objektus un neprasa optisko apgaismojumu	Plaša staru, lēna reakcija un jutība pret gaisa kustību un virsmas leņķi	Tvertnes līmenis, stāvvietas, klātbutnes noteikšana un pamata šķēršļu noteikšana
Strukturētās gaismas sensors	Projektē pazīstamu infrasarkano rakstu un analizē tā deformācijas	Ražo detalizētu īsgaisa dziļuma informāciju	Veiktspēja samazinās spēcīgas apkārtējās gaismas apstākļos	Sejas skenēšana, inspekcija un īsa attāluma 3D iegūšana
Stereo redze	Aprēķina dziļumu no diviem kameru skatu punktiem	Var nodrošināt augstu telpisko izšķirtspēju, izmantojot pasīvās attēlus	Prasība pēc tekstūras, apgaismojuma, kameras kalibrācijas un ievērojamas apstrādes	Mašīnu redze, kartēšana, navigācija un āra ainu analīze

Izmantojiet kompakto ToF sensoru, kad sistēmai ir nepieciešami tieši attāluma dati ar ierobežotu izmēru un apstrādi. Izmantojiet LiDAR ilgākas distances vai plašākas zonas noteikšanai, ultraskaņas sensorus pamata neoptiskai distancei, strukturētu gaismu detalizētai īsa attāluma skenēšanai, un stereovīziju, kad pasīvā attēlu dziļuma bāze ir piemērotāka.

Biežākās ToF sensora problēmas un novēršana

Pirms sensoru vai kalibrācijas maiņas, ievērojiet šo secību:

1. solis: Pārbaudiet strāvu, atiestatīšanu, saziņu, ierīces adresi un inicializāciju.

2. solis: Pārskatiet derīguma statusu, signāla stiprumu, vides apgaismojumu un uzticības datus.

3. solis: Pārbaudiet sensoru bez aizsargu loga.

4. solis: Pārbaudiet korpusu, optisko atveri, stiprināšanu, krustnolasīšanu un nobīdes kalibrāciju.

Problēma vai simptoms	Iespējamais cēlonis	Ko pārbaudīt	Ieteicamais labojums
Nav mērījumu datu	Strāvas, atiestatīšanas, I²C/SPI, adreses, programmatūras vai draivera problēma	Strāvas padeves līnijas, busa signāli, ierīces ID, atiestatīšanas laiks un inicializācija	Labojiet interfeisu vai inicializāciju un izmantojiet ražotāja atsauces draiveri
Īsa maksimālā distance vai nederīgas mērījumu lasījumi tuvumā pie attāluma limita	Vāja atgriešanās signāla, tumšs mērķis, spēcīgs apkārtējais apgaismojums, bloķēta optika vai nepietiekama Laika	Signāla stiprums, uzticības statuss, mērķa atstarošana, apkārtējais apgaismojums, skata lauks un Laika budžets	Palieliniet Laika budžetu, uzlabojiet optisko pārraidi, sašauriniet skata lauku vai samaziniet prasīto attālumu
Lasījuma maiņas, kamēr mērķis ir statisks	Vājš signāls, vibrācija, temperatūras novirze, nestabila strāva vai elektriskais troksnis	Atkārtotas lasījumi, strāvas stabilitāte, stiprināšana, temperatūra un signāla kvalitāte	Vidēji derīgi paraugi, uzlabojiet stiprināšanu un strāvas filtrēšanu, vai pārlabojiet kalibrāciju
Viltus tuvuma lasījums vai aizsarglogu noteikšana	Aizsarglogu krustnolasīšana vai iekšējā korpusa atspoguļojumi	Logu materiāls, pārklājums, gaisa sprauga, atvere, izlīdzināšana, piesārņojums un krustnolasīšanas dati	Testējiet bez loga, pārdesignējiet optisko atveri, bloķējiet iekšējās atspoguļošanās un veiciet krustnolasīšanas kalibrāciju
Neprecīzi mērījumi saulē	Apkārtējā infrasarkanā gaisma samazina signāla un trokšņa attiecību vai uztvērēja galvas rezerves	Apkārtējā apgaismojuma dati, optiskā filtrēšana, skata lauks, Laika režīms un mērķa atstarošana	Uzlabojiet filtrēšanu, sašauriniet skata lauku, pielāgojiet Laiku vai izmantojiet sensoru, kas paredzēts prasītajiem āra apstākļiem
Tuvas ToF sensori traucē	Viens uztvērējs konstatē apgaismojumu no cita sensora	Sensora attālums, orientācija, darbību secība un atbalstītie traucējumu iestatījumi	Laika daudzkārt pārslēdziet sensorus, mainiet atbalstītos Laika vai modulācijas iestatījumus vai pievienojiet optisko atdalījumu
Vairāki objekti rada vienu nepareizu attālumu	Viens zonē ir apvienotas vairākas atgriešanās vai izvēlas dominējošo mērķi	Mērķa pozīcijas, skata lauks, zonas izkārtojums un daudzobjektu dati	Izmantojiet multizonu vai daudzobjektu izeju un samaziniet skata lauku, ja tas ir iespējams
Spīdīgs vai slīps mērķis dod nestabilus lasījumus	Spekulāra atspoguļojums novirza lielāko daļu atgriezto gaismas prom no uztvērēja	Mērķa leņķis, virsmas apdare, signāla stiprums un sensora pozīcija	Mainiet skata leņķi, izmantojiet vairākas zonas vai izvēlieties citu sensoru metodi
Spoku distance parādās tuvumā pie sienām vai stūriem	Daudzkārtu gaisma atspoguļojas no vairākām virsmām pirms atgriešanās pie uztvērēja	Ainas ģeometrija, tuvas sienas, grīdas, stikls un uzticības dati	Pārvietojiet sensoru, maskējiet ietekmētās zonas vai izmantojiet daudzkārtu labojumus
Nepārtraukta attāluma nobīde	Nepareiza nobīdes kalibrācija, stiprinājuma pozīcija, loga biezums vai temperatūras kompensācija	Mērījums pret zināmu atsauces mērķi un uzglabātām kalibrēšanas vērtībām	Veiciet nobīdes kalibrāciju galīgajā mehāniskajā montāžā

Spekulatīvā atspoguļošana un multiplāce ir atšķirīgas problēmas. Spekulatīvā atspoguļošana notiek, kad spīdīgs vai slīps mērķis novirza galveno atspīdumu prom no saņēmēja. Multiplāce notiek, kad gaisma atspoguļojas no sienām, grīdām, stikla vai tuvumā esošiem objektiem pirms atgriešanās, kas var radīt spoku vai nepareizus attālumus.

Optiskā loga krosstalk notiek, kad izlaista gaisma atspoguļojas iekšpusē pārklājuma logā vai korpusā un sasniedz saņēmēju, pirms vispirms sasniedz mērķi. Kontaminācija, skrāpējumi, pārmērīgas gaisa atstarpes, slikta atvēršanas ģeometrija un nepareiza kalibrācija var palielināt šo nevēlamo signālu.

Secinājums

ToF sensora darbības sniegums ir atkarīgs no sensoru metodes, diapazona, izšķirtspējas, redzes lauka, atjaunināšanas ātruma un optiskā dizaina pielāgošanas lietojumam. Tiešais un netiešais ToF var atbalstīt dažādus diapazonus un izvades izšķirtspējas, atkarībā no detektora arhitektūras, apgaismojuma, optikas, modulācijas vai laika metodes, un signālu apstrādes. Tādējādi galīgajai izvēlei jābūt balstītai uz pilnīgu sensora dizainu un lietojuma apstākļiem, nevis tikai uz ToF metodi. Uzticami rezultāti prasa arī pareizu sensora izvietojumu, optiskā loga dizainu, kalibrāciju, apkārtējā gaismas kontroli un testēšanu ar galīgo korpusu un mērķa materiāliem.