Time of Flight (ToF) Sensör Nedir, Nasıl Çalışır?

3D görüntüleme teknolojisi oldukça yaygın bir hal aldı. Hemen hemen her tür elektronik alette 3D görüntüleme teknolojisi kullanılıyor. Yaygın 3D görüntüleme teknolojisinden biri olan time-of-flight (ToF) sensörleri ve kameraları hakkındaki detaylar yazımızın devamında.

A- A+

02.11.2020 tarihli yazı 15181 kez okunmuştur.

3D ToF Görüntüleme Sensör Kamera Elektronik

3D görüntüleme teknolojisi, cep telefonlarında ve otomobil güvenlik sistemlerinde oldukça fazla kullanılıyor. Stereoskopik görüntüleme sistemi, yapılandırılmış ışık projeksiyonu ve time-of-flight (ToF) kameraları, en yaygın 3D görüntüleme teknolojilerindendir. Bu cihazların ve sistemlerin ürettiği veriler, yaya algılama, yüz özelliklerine göre kullanıcıların kimliğini doğrulama, el hareketini algılama ve SLAM (eşzamanlı yerelleştirme ve haritalama) algoritmalarını besleme gibi birçok işlemi gerçekleştirebilir.

Şekil 1: ToF Prensibi ve Blok Diyagramı

► İlginizi Çekebilir: Pasif Kızılötesi Sensör

Uçuş sensörleri yani time-of-flight (ToF) sensörleri, herhangi bir şeyin bir ortam içinde bir mesafeye gitmesi için gereken süreyi ölçer. Yani ToF, bir dalga darbesinin emisyonu, bir nesneden yansıması ve ToF sensörüne dönüşü arasında geçen sürenin ölçüsüdür. ToF kamerası, kendisi ile nesneler veya ortamlar arasındaki mesafeleri belirlemek için ToF ölçümünü kullanan ve ayrı ayrı ölçülen noktalar tarafından oluşturulan görüntüleri yakalayabildiğimiz bir cihaz görevi görür.

ToF kameralarının uygulamaları arasında lazer tabanlı tarayıcı içermeyen LiDAR görüntüleme sistemleri, hareket algılama ve izleme, makine görüşü ve otonom sürüş için nesne algılama, topografik haritalama ve daha fazlası bulunuyor.

Peki bu ölçümler nasıl elde ediliyor ?

Şekil 2: Mesafeyi Belirleyebilmek İçin Kullanılabilecek Yöntemler

Görselin 1. kısmında darbelerin gönderilmesi, nesneye ulaşması ve yansımadan sonra ToF kamerasına geri dönüşüne kadar geçen zamanı ölçmek için kullanılan yöntemi görebilirsiniz. 2. kısımda ise bir ışık kaynağının genliğini ayarlayabileceğiniz ve yansıyan dalganın faz kaymasını kaydedebileceğiniz ikinci yöntem bulunuyor. Son kısım ise % 50 görev döngülü kare dalga ileten ve belirli bir aralıkta gelen geri dönen ışık miktarını kaydeden üçüncü yöntemi temsil ediyor.

Milimetre Düzeyinde Hassas ToF Kameraları

Işık ve radyo dalgaları yaklaşık 300.000.000.000 mm/s hızla hareket eder. Yani, içinde bulunduğunuz odadaki tüm nesneleri görüntüleyebilen bir cihaz istiyorsanız ve ~ 1 mm çözünürlük istiyorsanız, zamanlama elektroniklerinizin pikosaniye çözünürlüğe ihtiyacı olacaktır. Bu, yüzlerce GHz'lik bir saat hızı anlamına gelir. Bu frekanslarda çalışan elektronik devreler tasarlamak ne kolay ne de ekonomiktir, bu nedenle tasarımcılar, cihazları tüketici alanına uygun fiyatlara düşürmeyi amaçlıyorlar.

Makul, GHz altı frekanslarla çalışırken milimetre düzeyinde hassasiyet elde etmek için iki yaygın yöntem bulunmakta. Sinüzoidal olarak modüle edilmiş bir dalganın faz kaymasını mesafeye ilişkilendirme ve % 50 görev döngülü kare dalganın faz kaymasını ve mesafeyi belirlemek için diferansiyel voltajı kullanma. Aşağıdaki bölümlerde, bu iki yönteme daha ayrıntılı olarak bakacağız.

Genliği Modüle Edilebilen Bir Dalganın Faz Kayması ile Mesafenin Belirlenmesi

Maksimum uzunluk boyutu 15 m olan küçük bir ofis veya geniş bir oturma odasının haritasını çıkarmak istediğinizi varsayalım. Bu uzunluk için uygun bir çalışma frekansı belirlemek için c = λ.f formülünü kullanalım. Burada c ışık hızıdır (c = 3x108 m/s), λ bir dalga boyu (λ = 15 m) ve ƒ frekanstır. Örneğimizdeki değerleri formülde yerine koyduğumuzda frekansı ƒ = 20 MHz olarak buluruz.

Her şey, parlak bir ışığın çıkışı 20 MHz'lik bir sinüzoidal sinyal ile modüle edildiğinde başlar. Işık dalgası sonunda bir nesneye veya duvara ulaşacak ve yönleri yansıtacak ve tersine çevirecektir. Orijinal modüle edilmiş ışığın daha kısık bir versiyonu alıcıya geri dönecektir. Nesne tam olarak 15 metrelik bir tam sayı katı olmadığı sürece, faz bir miktar kaydırılmalıdır. Ayrıca faz kayması, dalganın kat ettiği mesafeyi hesaplamak için kullanılabilir.

Ayrıca faz açısını doğru bir şekilde ölçebiliyorsanız, yansıtan nesnenin sensörden / alıcıdan uzaklığını doğru bir şekilde belirleyebilirsiniz.

Sinüzoidin Faz Açısı Nasıl Ölçülür ?

Bir sinüzoidin faz açısını hızlı bir şekilde ölçmek için φ = arctan [(A₁-A₃)/(A₂-A₄)] formülünü kullanırız. A₁ ile A₃arasındaki farkın ve A₂ ile A₄ arasındaki farka oranı, faz açısının tanjantına eşittir. arctan aslında uygun çeyrekleri eşleyen ve sırasıyla A₂ = A₄ve A₁> A₃ veya A₃> A₁'i 0° veya 180° olarak tanımlayan iki bağımsız değişkenli yay-tanjant işlevidir.

Yukarıdaki gifde grafiğin en solunda A₁ ve A₃ (koyu sarı) ve A₂ ve A₄ (mavi) çıkarılmasının sonucunu gösteren iki dikey sayı çizgisi bulunuyor. Ölçülen değerler ortadaki sinüzoid grafiklerde dikey çizgiler olarak gösteriliyor. Ancak bu grafiğin yansımayı hesaba katmadığını unutmayın. Yansıma durumu, her şeyi 180 ° değiştirir.

Verilen Bir Mesafe İçin Çalışma Frekansını Belirleme

Yukarıdaki örneğimize geri dönecek olursak ƒ=20 MHz değerini elde etmiştik. Hedefe olan mesafeyi d = (c . φ) / (4π . ƒ) denkleminden buluruz. C ışık hızı olduğunda, φ faz açısıdır (radyan cinsinden) ve ƒ modülasyon frekansıdır.

Bir fotonun gerçek uçuş süresini ölçmek için 333 GHz elektronikler gereklidir. Bu yöntem, maksimum 4x modülasyon frekansı gerektirir, bu durumda 4x20 MHz = 80 MHz'dir. Bu, kaynaklarda olağanüstü bir azalmadır.

Yüklü Kapasitörlerin Diferansiyel Gerilim Ölçümü Yöntemi Aracılığıyla Faz Kaymasını Belirleme

Bir saat kaynağı % 50 görev döngüsüne sahip bir kare dalga üretir ve bu kare dalga, parlak yanıp sönen bir ışık kaynağını ve her pikselin içindeki şarj depolama kapasitörlerinin bağlantısını kontrol eder. Aşağıdaki görsel bu sistemi temsil ediyor.

Şekil 3: Fotonik Mikser Cihazı Katı Hal Dizisi LiDARS için Hızlı Kalibrasyon Yönteminden Bir Görüntü

Işık kaynaktan ayrılır, bir nesneyi yansıtır ve yukarıda gösterilen kapasitör C_A veya C_B'ye yük olarak kaydedileceği piksele vurur. Kapasitörler dönüşümlü olarak aynı saat kaynağını kullanarak aydınlatma kaynağı ile aynı frekansta piksele bağlanır. Bu akıllı düzenleme, kapasitörlerdeki diferansiyel yükün doğrudan faz kayması ile ilgili olduğu anlamına gelir. Faz, dalga boyu ve hedefe ve geriye olan mesafeye göre belirlenir.

Şekil 4: Fotonik Mikser Cihazı Katı Hal Dizisi LiDARS için Hızlı Kalibrasyon Yönteminden Görüntü

ToF Sensörlerinin Kullanımı

AAC (Advanced Audio Coding) ile birleşen ToF sensörü, beraberindeki yazılımla birlikte 45 fps'ye kadar kayıt yapabilme özelliğine sahiptir. Daha düşük yenileme hızlarında, sistem bir gömlek üzerindeki kırışıklıkları kolayca görüntüleyebilir. Yalnızca derinlik verilerini tek başına görselleştirmek zordur. Bu nedenle, derinlik görüntüsü genellikle bir fotoğrafla birleştirilir veya sahnenin daha kolay görselleştirilmesini sağlamak için yanlış renklendirme kullanılarak gösterilir.

ToF sensörleri, akıllı fiziği mühendislikle birleştirirken çevrenin 3 boyutlu bir haritasını oluşturmak da dahil olmak üzere bir dizi uygulamada kullanılabilir.

Kaynak:

► allaboutcircuit.com