TOF（飛行時間）距離LiDARは、レーザー パルスを発射し、反射後に戻ってくるタイミングを計り、その飛行時間を正確な距離データに変換することで距離を測定するセンシング テクノロジーです。シーン全体にビームを走査するスキャニング LiDAR とは異なり、TOF LiDAR はより直接的に、多くの場合ソリッドステートまたはフラッシュ方式で動作し、高速 3D 深度イメージングを可能にします。この記事の中心的なメッセージは、高精度、拡張範囲、低消費電力、複雑な環境での堅牢なパフォーマンスを特徴とする最新世代の TOF Range LiDAR 製品が、自動運転、ロボティクス、産業オートメーション、スマート インフラストラクチャのアプリケーションにとって魅力的なソリューションであるということです。
以下は、主要な TOF Range LiDAR 設計の一般的な性能目標を示す代表的な仕様表です (開発する実際の製品によってこれらの値は調整される可能性があります)。
| パラメータ | 代表値・目標 |
|---|---|
| 測定範囲 | 0.2m～200m |
| 距離精度 | 100mで±2cm |
| 視野角 (FOV) | 120°×30°（水平×垂直） |
| 角度分解能 | 0.1° |
| フレームレート | 30Hz |
| レーザー波長 | 905nm（アイセーフクラス） |
| 消費電力 | ≤ 8W |
| インターフェースと出力 | イーサネット / GigE / ROS / 点群 |
高速のフルシーンキャプチャ: TOF システムはフィールド全体にわたって深度データを照射してキャプチャできるため (フラッシュやアレイキャプチャなど)、従来の LiDAR の機械的スキャン遅延を回避できます。
コンパクトさと堅牢性: 可動部品のないソリッドステート設計により、摩耗、サイズ、システムの複雑さが軽減されます。
大規模なシステムコストの削減: よりシンプルな光学系と電子機器 (フェーズドアレイや FMCW システムと比較して) により、大規模導入のコスト削減に役立ちます。
さまざまな照明下でも安定したパフォーマンス: TOF システムはアクティブ照明を使用するため、周囲光の変化が深さ測定に与える影響は少なくなります。
幅広い適用性: 自動運転車 (知覚および障害物検出)、ロボット工学、産業オートメーション (マテリアルハンドリング、3D ピッキングなど)、スマートシティ (交通監視、構造検査)、インフラの安全性に適しています。
世界の TOF LiDAR 市場は 2024 年に 19 億 9,000 万米ドルと評価され、2030 年までに 54 億 7,000 万米ドルに達すると予測されています (CAGR ~18.4 %)。
自動車分野では、TOF ベースの LiDAR システムが先進運転支援システム (ADAS) や自動運転スタックに採用されることが増えています。
ロボット工学、物流、スマート インフラストラクチャからの需要により、自動車以外での導入が促進され、ボリューム エコノミーがより利用しやすくなっています。
FMCW LiDAR は、干渉耐性と範囲の拡大という利点を提供しますが、より複雑で高価です。 TOF と FMCW の間の議論では、コスト、統合、パフォーマンスのトレードオフが浮き彫りになっています。
TOF は、特にミッドレンジのアプリケーションにおいて実装がより簡単であり、高速広角深度センサーとして機能することでスキャニング LiDAR を補完できます。
範囲の要求が中程度である多くのロボットや産業環境において、TOF はパフォーマンス、コスト、信頼性のスイート スポットを提供します。
短いレーザーパルスがターゲットに向けて放射されます。
パルスはシーン内の表面で反射します。
センサーは戻ってくる光子を検出し、時間遅延を測定します。
距離 = (光の速度 × 往復時間) ÷ 2。
深度マップまたは点群はフィールド全体にわたって構築されます。
光の速度は既知であるため、非常に細かいタイミング精度が必要です。これには、高速電子機器、適切なタイミング校正、光子検出感度が必要です。
光子検出器と SPAD アレイ: 単一光子アバランシェ ダイオード (SPAD) により、光子計数を使用して非常に微弱な反射を検出できます。一部の高度な方法（ヒストグラムなしの取得など）では、デッドタイムとパイルアップ歪みが軽減されます。
ビーム整形と照明制御: レーザーのパルス形状、発散、タイミングを最適化することで、目の安全性を維持しながら信号対雑音比を最大化します。
信号処理とキャリブレーション: レンジウォーク補正、周囲光の抑制、およびマルチピーク検出は、さまざまなリターン条件下で正確な深度を提供するために重要です。
ハードウェアの統合: 光学、電子機器、処理、熱制御の緊密な統合により、サイズが削減され、安定性が向上します。
ファームウェアとソフトウェア スタック: リアルタイム フィルタリング、点群生成、オブジェクト セグメンテーション、センサー フュージョン (カメラ、レーダー) は、多くの場合、組み込みパイプラインの一部です。
センサーの配置とカバー範囲の計画: 最適な取り付け (車両、ロボット、インフラストラクチャー) により、視野が確実に重なり、死角が減ります。
センサーフュージョン: TOF LiDAR 出力は、より信頼性の高い知覚を実現するためにカメラまたはレーダーデータと組み合わされることがよくあります (例: 意味的理解のための深度 + 色)。
キャリブレーションと位置合わせ: 固有/外部キャリブレーションにより、深度マップが共通の座標フレーム内の他のセンサーと位置合わせされるようになります。
データ レートと帯域幅の管理: 高フレーム レートでフルデプス データをストリーミングすると、ネットワーク インターフェイスに負荷がかかる可能性があります。効率的な圧縮とスマート ROI フィルターが使用されます。
熱および環境制御: 幅広い温度範囲および雨や粉塵などの気象条件下でもパフォーマンスを保証します。
Q: TOF Range LiDAR の信頼できる最大範囲はどれくらいですか?
A: 信頼できる最大範囲は、レーザー出力、受信機の感度、光学系、および周囲条件によって異なります。高度な TOF LiDAR システムの場合、良好な条件下では最大 200 m の範囲が実現可能です。大雨、反射率の低い表面、または周囲光が強い場合には、通信距離が低下する可能性があります。
Q: 周囲光や太陽光は TOF 測定にどのような影響を与えますか?
A: 周囲光により光子検出器にノイズが加わり、信号対雑音比が低下する可能性があります。 TOF 設計は、狭帯域光フィルター、時間ゲート、バックグラウンド減算、およびダイナミック レンジ制御によってこれを軽減します。高周囲サプレッサーとキャリブレーションにより、屋外の明るい日光の下でも精度を維持できます。
Q: TOF Range LiDAR は現実世界の状況においてどれくらい正確ですか?
A: 精度は多くの場合センチメートルオーダー (例: ±2 cm) ですが、実際の誤差は表面反射率、入射角、多重反射、検出器ノイズなどの要因によって異なります。適切に設計されたキャリブレーションと処理により、系統的誤差が減少します。
Q: TOF LiDAR は高速で移動する物体を処理できますか?
A: はい。システムはフレームごとに完全な深度をキャプチャするため、フレーム レートが十分に高い場合 (例: 30 ～ 60 Hz 以上)、高速で移動するオブジェクトを追跡できます。深度はスキャン遅延を介さずパルスごとに瞬間的に変化するため、ピクセルレベルのモーションブラーはあまり問題になりません。
統合と小型化: サイズとコストを削減するために、光学系、検出器、処理のモノリシック統合が期待されます。
ハイブリッド TOF + FMCW システム: 両方の方式の長所を組み合わせることで、干渉、範囲、パフォーマンスのトレードオフに対する耐性が向上します。
高度なアルゴリズムと AI 処理: 適応ノイズ フィルタリング、セグメンテーションのためのディープ ラーニング、およびリアルタイムの点群圧縮により、機能の限界が押し広げられます。
標準化と相互運用性: 統合されたセンサー インターフェイス、ROS 互換性、および標準データ形式により、複雑なシステムへの統合が容易になります。
量に基づく大量導入: 自動車、物流、スマート インフラストラクチャからの需要が拡大するにつれて、規模の経済によりコストの障壁が低くなります。
航続距離と精度のトレードオフを強調します。精度を犠牲にすることなく、設計がどのようにして長距離を達成するかを示します。
電力効率と熱安定性を強調: 競合する設計の多くは、温度変動全体でキャリブレーションを維持するのに苦労しています。
現実世界での堅牢性を実証します。周囲の光、雨、塵の下で、困難な屋内/屋外の遷移でもパフォーマンスを発揮する能力を示します。
ソフトウェア開発キット (SDK)、フュージョン モジュール、およびオープン スタンダードへの準拠を提供して、顧客のシステムへの導入を促進します。
強力なテスト、認定、およびアプリケーションのリファレンスを活用して、信頼を構築します。
TOF Range LiDAR は、コスト、パフォーマンス、システムのシンプルさの間のギャップを埋める、魅力的なセンシング ソリューションを提供します。高速のフルシーン深度キャプチャ、周囲条件下での堅牢な動作、およびスケーラブルな統合への道筋により、車両、ロボット、スマート インフラストラクチャに 3D 認識を導入する際の現実的な課題の多くに対処します。
業界関係者の間では、ジオプティクは、TOF Range LiDAR のイノベーションを推進し続け、ハードウェアとソフトウェアの両方のパイプラインを改良して、実際の展開に合わせてカスタマイズされた信頼性の高い高性能センサーを提供します。 TOF Range LiDARモジュールのカスタマイズ、システム統合、性能評価に関するお問い合わせは、お問い合わせアプリケーションに最適なソリューションを探索します。
製品の詳細については、Jioptik にお問い合わせください。
