कैमरा-आधारित टाइम-ऑफ-फ़्लाइट सेंसर, सक्रिय रूप से उत्सर्जित प्रकाश के आने-जाने के समय को मापकर, त्रि-आयामी पर्यावरणीय जानकारी प्राप्त करने का एक त्वरित और सुविधाजनक तरीका प्रदान करते हैं। यह पेपर सेंसर प्रदर्शन का अनुमान लगाने, प्रयोगात्मक आर्टिफैक्ट्स को समझने और प्रकाशिक प्रभावों का गहन विश्लेषण करने के लिए एक व्यापक सिमुलेशन प्रक्रिया प्रस्तावित करता है। शोर और प्रकाशिक जटिलता से भरी वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में, सेंसर सीमाओं की पहचान करने, मापन दृढ़ता बढ़ाने और पैटर्न पहचान क्षमता को बढ़ाने के लिए यह सिमुलेशन महत्वपूर्ण है।
टाइम-ऑफ-फ़्लाइट सेंसर प्रकाश स्रोत से वस्तु तक और वापस डिटेक्टर तक प्रकाश द्वारा लिए गए समय को मापकर प्रत्येक पिक्सेल की दूरी की गणना करते हैं।
डायरेक्ट टाइम-ऑफ-फ्लाइट मापन छोटे प्रकाश स्पंद के आने-जाने के समय का सीधे मापन करता है। 50 मीटर तक की दूरियों के लिए, इसके लिए अत्यंत संक्षिप्त स्पंद और एक्सपोज़र समय (उदाहरण के लिए, 1.5 मीटर दूरी 10 नैनोसेकंड के अनुरूप) की आवश्यकता होती है, जो गीगाहर्ट्ज़ रेंज में कार्य करता है। जैसा कि संबंधित साहित्य द्वारा इंगित किया गया है, इसके परिणामस्वरूप आमतौर पर कम सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात होता है।
इस विधि को चरण-आधारित उड़ान समय मापन भी कहा जाता है। यह एक अप्रत्यक्ष विधि है जो प्रकाश स्रोत को मॉड्यूलेट करके और प्राप्त सिग्नल के साथ सहसंबंध प्रसंस्करण करके काम करती है। अधिकांश आधुनिक उड़ान समय कैमरे आयाम मॉड्यूलेशन निरंतर तरंग या निरंतर तरंग तीव्रता मॉड्यूलेशन सिद्धांत का उपयोग करते हैं। प्रेषित सिग्नल और प्राप्त सिग्नल के बीच चरण अंतर को मापा जाता है, आमतौर पर प्रत्येक पिक्सेल पर फोटोन मिक्सिंग डिवाइस के साथ फेज-लॉक्ड डिमॉड्यूलेशन तकनीक का उपयोग करके। चित्र 1 सिस्टम घटकों को दर्शाता है।
चित्र 1: कैमरा-आधारित टाइम-ऑफ-फ्लाइट सेंसर का मापन सिद्धांत जो आयाम मॉडुलित निरंतर तरंग सिद्धांत का उपयोग करता है। चित्र त्रि-आयामी छवि सेंसर, मॉडुलित प्रकाश स्रोत, लेंस, पिक्सेल मैट्रिक्स, एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर, अनुक्रम नियंत्रक, मुख्य नियंत्रक और अंतिम गहराई मानचित्र की गणना प्रक्रिया को दर्शाता है।
इस कार्य का मुख्य योगदान प्रकाशिकी प्रभावों के गहन विश्लेषण के लिए एक सिमुलेशन प्रवाह प्रस्तावित करना है।
सिमुलेशन ज्यामितीय प्रकाशिकी मॉडल के भीतर किरण अनुरेखण (रे ट्रेसिंग) के आधार पर काम करता है। यह प्रकाश स्रोत से निकलने वाली एकल किरण को दृश्य के माध्यम से उसके डिटेक्टर तक पहुँचने से पहले, कई वस्तुओं और कैमरा लेंस के साथ अंतःक्रिया को ध्यान में रखते हुए, अनुरेखित करने में सक्षम बनाता है।
गहराई की गणना ऑप्टिकल पाथ लेंथ पर आधारित है, जिसे ज्यामितीय पथ लंबाई और माध्यम के अपवर्तनांक के गुणनफल के रूप में परिभाषित किया गया है: $OPL = \int n(s) \, ds$। यह गहराई का मुख्य पैरामीटर है, जो विभिन्न प्रकार के टाइम-ऑफ-फ़्लाइट सेंसर का अनुकरण कर सकता है और क्षणिक इमेजिंग मूल्यांकन का समर्थन करता है।
यह प्रक्रिया उच्च-निष्ठा प्रकाशीय किरण अनुरेखण और लेंस मॉडलिंग के लिए Zemax OpticStudio का उपयोग करती है, और दृश्य उत्पादन, डेटा प्रसंस्करण, विश्लेषण और सेंसर मॉडल (जैसे डिमॉड्यूलेशन, शोर) के कार्यान्वयन के लिए Python के साथ एकीकृत होती है।
यह ढांचा उन जटिल वास्तविक-विश्व प्रकाशिकीय घटनाओं को संभालने के लिए बनाया गया है जो फ्लाइट टाइम सेंसरों के लिए चुनौतीपूर्ण हैं।
बहुपथ व्यतिकरण का अनुकरण, जहां प्रकाश सेंसर तक पहुंचने से पहले कई सतहों से परावर्तित होता है, गहराई त्रुटि का एक प्रमुख स्रोत है। रे ट्रेसर इन जटिल पथों का पता लगाता है।
पारभासी सामग्रियों जैसे कांच, प्लास्टिक में प्रकाश संचरण का अनुकरण, जहां सबसरफेस स्कैटरिंग और आंतरिक परावर्तन होता है, जो मापित चरण और आयाम को प्रभावित करता है।
लेंस प्रभावों को शामिल करें, जैसे कि गोलाकार विपथन, वर्ण विपथन और विरूपण। ये विपथन प्रकाश पथ और तरंगाग्र को परिवर्तित करते हैं, जिससे प्रत्येक पिक्सेल की फेज़/गहराई मापन सटीकता प्रभावित होती है।
इस पत्र में एक साधारण त्रि-आयामी परीक्षण परिदृश्य पर मुख्य कार्यक्षमताओं का प्रदर्शन किया गया है। हालांकि प्रदान किए गए सार में विशिष्ट मात्रात्मक परिणामों का विस्तृत विवरण नहीं दिया गया है, लेकिन प्रदर्शन संभवतः सिमुलेशन की निम्नलिखित पहलुओं में क्षमता प्रदर्शित करता है:
सिमुलेशन आउटपुट में विकिरण मानचित्र, चरण मानचित्र और अंतिम गहराई मानचित्र शामिल होंगे, साथ ही सिमुलेशन परिणामों की वास्तविक मानों से तुलना करने वाले त्रुटि मेट्रिक्स भी शामिल होंगे।
सिमुलेशन की सटीकता सटीक भौतिक मॉडलिंग पर निर्भर करती है। महत्वपूर्ण समीकरणों में शामिल हैं:
ऑप्टिकल पथ लंबाई: $OPL = \sum_{i} n_i \cdot d_i$, जहाँ $n_i$ अपवर्तनांक है और $d_i$ $i$वें खंड की ज्यामितीय दूरी है।
संबंधित उड़ान समय मापन पर आधारित चरण अंतर: मापा गया चरण अंतर $\phi$ प्रकाश पथ लंबाई और मॉड्यूलेशन आवृत्ति $f_{mod}$ से संबंधित है: $\phi = 2 \pi \cdot 2 \cdot \frac{OPL}{c} \cdot f_{mod} = 4 \pi f_{mod} \frac{OPL}{c}$, जहाँ $c$ प्रकाश की गति है। गुणक 2 आने-जाने के मार्ग को ध्यान में रखता है। गहराई $z$ तब होती है: $z = \frac{c \cdot \phi}{4 \pi f_{mod}}$।
सिग्नल मॉडल: बहु-टैप फोटॉन मिश्रण उपकरणों के लिए, पिक्सेल पर सहसंबंधित सिग्नल $S$ को इस प्रकार मॉडल किया जा सकता है: $S_k = \alpha \int_{0}^{T} I_{emit}(t) \cdot I_{demod,k}(t - \tau) \, dt + \eta$, जहां $\alpha$ अल्बेडो/परावर्तकता है, $I_{emit}$ उत्सर्जन तीव्रता है, $I_{demod,k}$ $k$-वें टैप का डिमॉड्यूलेशन फ़ंक्शन है, $\tau$ प्रकाश पथ लंबाई के समानुपाती समय विलंब है, $T$ एकीकरण समय है, और $\eta$ रव है।
यह कार्य केवल एक और सिमुलेशन टूल नहीं है; यह आदर्शीकृत ऑप्टिकल डिजाइन और टाइम-ऑफ-फ़्लाइट सेंसिंग की जटिल वास्तविकता के बीच एक रणनीतिक सेतु है। इसके द्वाराऑप्टिकल पथ लंबाई को एकीकृत मूल पैरामीटर के रूप में स्थापित करके, लेखक साधारण ज्यामितीय दूरी से परे चले गए हैं। यह एक गहन परिवर्तन है। यह सीधे वाणिज्यिक टाइम-ऑफ-फ़्लाइट सेंसर की घातक कमजोरी को संबोधित करता है: मल्टीपाथ हस्तक्षेप और सामग्री गुणों से उत्पन्न व्यवस्थित त्रुटियाँ, जो ऑप्टिकल पथ लंबाई पर निर्भर घटनाएँ हैं। उनकी पद्धति प्रकाश संचरण को प्राथमिक कारक मानती है, जिससे यह विश्लेषण करना संभव हो जाता है कि गहराई मानचित्र कोनों, कांच के पास या परिवेशी प्रकाश में विफल क्यों होते हैं - यह अधिकांश आपूर्तिकर्ता डेटा शीट में गंभीर रूप से अनुपस्थित विश्लेषण स्तर है।
इसकी तर्कसंगतता में औद्योगिक सौंदर्य है:वास्तविक मान को परिभाषित करें (रे ट्रेसिंग द्वारा प्राप्त ऑप्टिकल पथ लंबाई) → सेंसर की अपूर्ण माप का अनुकरण करें (मॉड्यूलेशन/डिमॉड्यूलेशन, शोर जोड़ें) → विसंगतियों का विश्लेषण करें। यह प्रवाह सेंसर चरित्रण की सर्वोत्तम प्रथाओं को दर्शाता है, लेकिन इसे सक्रिय रूप से सिमुलेशन पर लागू करता है। ऑप्टिकल भाग के लिए Zemax और सेंसर लॉजिक के लिए Python का उपयोग करके एक लचीली, मॉड्यूलर प्रक्रिया बनाई गई है। हालांकि, इस तार्किक श्रृंखला में एक कमजोर कड़ी है: पेपर दृढ़ता से संकेत देता है, लेकिन सिम्युलेटेड, आदर्श ऑप्टिकल पथ लंबाई मानचित्र से अंतिम, शोर-युक्त, डिमॉड्यूलेटेड पिक्सेल मानों में रूपांतरण प्रक्रिया का सख्ती से विस्तृत विवरण नहीं देता है। भौतिक प्रकाशिकी से सेंसर इलेक्ट्रॉनिक्स तक की छलांग एक महत्वपूर्ण इंटरफ़ेस है, जहां अधिकांश त्रुटियां उत्पन्न होती हैं, और इसके मॉडलिंग की गहराई अभी भी अस्पष्ट है।
लाभ: इस पद्धति केव्यापकतायह इसकी किलर फीचर है। एक ही फ्रेमवर्क के भीतर बहुपथ व्यवधान, अर्ध-पारदर्शिता का एक साथ अनुकरण करना和लेंस विपथन दुर्लभ हैं। यह समग्र परिप्रेक्ष्य महत्वपूर्ण है क्योंकि ये प्रभाव गैर-रैखिक रूप से परस्पर क्रिया करते हैं। उद्योग-मानक Zemax का उपयोग करकेव्यावहारिक कार्यान्वयन, जो अनुसंधान और विकास टीमों को तत्काल विश्वसनीयता और पोर्टेबिलिटी प्रदान करता है। विज़ुअल फिडेलिटी पर केंद्रित शुद्ध शैक्षणिक रेंडररों की तुलना में, यह प्रक्रिया विशेष रूप से मेट्रोलॉजी के लिए निर्मित है।
कमियाँ और अंध स्थान: एक स्पष्ट प्रश्न यह हैगणना लागतजटिल, विसरित बहुपथ परिदृश्यों के लिए पूर्ण ज्यामितीय किरण अनुरेखण सर्वविदित रूप से महंगा है। पेपर में त्वरण तकनीकों या प्राप्त करने योग्य प्रदर्शन का उल्लेख नहीं किया गया है, जो पुनरावृत्ति डिजाइन में इसकी मानी गई उपयोगिता को सीमित करता है। दूसरा, ऐसा प्रतीत होता है कितरंग प्रकाशिकी की उपेक्षा की गई हैजैसे कि सुसंगतता, पतली फिल्म व्यतिकरण या विवर्तन जैसे प्रभाव - जो लघुकृत सेंसर और वर्टिकल-केविटी सरफेस-एमिटिंग लेजर सरणियों के लिए तेजी से महत्वपूर्ण होते जा रहे हैं - ज्यामितीय प्रकाशिकी मॉडल के दायरे से बाहर हैं। जैसे-जैसे यह क्षेत्र सिंगल-फोटॉन एवलांच डायोड-आधारित प्रत्यक्ष उड़ान समय मापन की ओर बढ़ रहा है, यह एक महत्वपूर्ण सीमा बन जाती है। अंत में, के साथवास्तविक विश्व सेंसर डेटाका सत्यापन केवल संकेतित किया गया है; भौतिक कैमरों के लिए कोई मात्रात्मक त्रुटि बेंचमार्क नहीं है, सिमुलेशन की भविष्यवाणी क्षमता अभी भी दावे के स्तर पर ही रहती है।
फ़्लाइट टाइम सिस्टम इंटीग्रेटर्स और डिज़ाइनरों के लिए, यह लेख एक रोडमैप प्रदान करता है।कार्रवाई 1: ऑप्टिकल पथ लंबाई-केंद्रित विश्लेषणात्मक सोच अपनाएं। गहराई त्रुटि डीबग करते समय, पहले दृश्य में संदिग्ध ऑप्टिकल पथ भिन्नताओं का मानचित्रण करें।Action 2: 在Design for Manufacturingइस सिमुलेशन फ्रेमवर्क का उपयोग चरण में करें। केवल आदर्श लेंस का सिमुलेशन न करें; सहनशीलता वाले लेंस का सिमुलेशन करें, और फिर गहराई त्रुटि बजट का विश्लेषण करें।Action 3: इस फ्रेमवर्क को और आगे बढ़ाएं। ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक शोर स्रोतों के सहयोगात्मक सिमुलेशन के लिए इसे इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन ऑटोमेशन टूल्स के साथ एकीकृत करें। फ्लाइट-टाइम का भविष्य इस तरह के सह-डिज़ाइन में निहित है। शोध समुदाय को इस पर निर्माण करते हुए, स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के OpenROAD के समान, इस तरह की प्रक्रियाओं को ओपन-सोर्स करना चाहिए।Open3Dया मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी केट्रांजिएंट इमेजिंगकाम ने कैसे लाइट ट्रांसपोर्ट विश्लेषण को लोकप्रिय बनाया। अंतिम लक्ष्य टाइम-ऑफ-फ्लाइट सेंसर का एक "डिजिटल ट्विन" है - यह पेपर इस दिशा में एक मौलिक कदम है, लेकिन सत्यापन, त्वरण और एकीकरण का भारी काम अभी बाकी है।
प्रस्तावित सिमुलेशन ढांचा भविष्य के कार्यों और अनुप्रयोगों के लिए कई दिशाएं खोलता है: