Noticias - Principio básico y aplicación del sistema TOF (hora de vuelo)

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Esta serie tiene como objetivo proporcionar a los lectores una comprensión profunda y progresiva del sistema de tiempo de vuelo (TOF). El contenido cubre una descripción completa de los sistemas TOF, incluidas las explicaciones detalladas de TOF (ITOF) indirectas y TOF (DTOF). Estas secciones profundizan en los parámetros del sistema, sus ventajas y desventajas, y varios algoritmos. El artículo también explora los diferentes componentes de los sistemas TOF, como láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), lentes de transmisión y recepción, sensores receptores como CIS, APD, SPAD, SIPM y circuitos de conducir como ASIC.

Introducción a TOF (hora de vuelo)

Principios básicos

TOF, de pie durante el tiempo de vuelo, es un método utilizado para medir la distancia calculando el tiempo que tarda la luz en viajar una cierta distancia en un medio. Este principio se aplica principalmente en escenarios TOF ópticos y es relativamente sencillo. El proceso implica una fuente de luz que emite un haz de luz, con el tiempo de emisión registrado. Esta luz luego refleja un objetivo, es capturada por un receptor y se observa el tiempo de recepción. La diferencia en estos tiempos, denotada como t, determina la distancia (d = velocidad de la luz (c) × t / 2).

Tipos de sensores TOF

Hay dos tipos principales de sensores TOF: óptico y electromagnético. Los sensores TOF ópticos, que son más comunes, utilizan pulsos de luz, típicamente en el rango infrarrojo, para la medición de la distancia. Estos pulsos se emiten desde el sensor, reflejan un objeto y regresan al sensor, donde se mide el tiempo de viaje y se usa para calcular la distancia. En contraste, los sensores de TOF electromagnéticos utilizan ondas electromagnéticas, como el radar o el lidar, para medir la distancia. Operan en un principio similar pero usan un medio diferente paramedición de distancia.

Aplicaciones de sensores TOF

Los sensores TOF son versátiles y se han integrado en varios campos:

Robótica:Utilizado para la detección y navegación de obstáculos. Por ejemplo, robots como Roomba y Boston Dynamics 'Atlas emplean cámaras de profundidad TOF para mapear sus alrededores y planificar movimientos.

Sistemas de seguridad:Sensores de movimiento comunes para detectar intrusos, activar alarmas o activar sistemas de cámara.

Industria automotriz:Incorporado en sistemas de asistencia para conductores para el control de crucero adaptativo y la evitación de colisiones, cada vez más frecuente en los modelos de vehículos nuevos.

Campo médico: Empleado en imágenes y diagnósticos no invasivos, como la tomografía de coherencia óptica (OCT), produciendo imágenes de tejido de alta resolución.

Electrónica de consumo: Integrado en teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras portátiles para características como reconocimiento facial, autenticación biométrica y reconocimiento de gestos.

Drones:Utilizado para navegación, evitación de colisiones y para abordar las preocupaciones de privacidad y aviación

Arquitectura del sistema TOF

Un sistema TOF típico consta de varios componentes clave para lograr la medición de la distancia como se describe:

· Transmisor (TX):Esto incluye una fuente de luz láser, principalmente unaVCSEL, un circuito de controlador ASIC para conducir el láser y los componentes ópticos para el control del haz, como las lentes colimador o los elementos ópticos difractivos y los filtros.
· Receptor (rx):Esto consiste en lentes y filtros en el extremo receptor, sensores como cis, spad o sipm dependiendo del sistema TOF, y un procesador de señal de imagen (ISP) para procesar grandes cantidades de datos del chip del receptor.
·Gestión de energía:Gestión de establoEl control de corriente para VCSEL y alto voltaje para SPAD es crucial, lo que requiere una gestión de energía robusta.
· Capa de software:Esto incluye firmware, SDK, OS y capa de aplicación.

La arquitectura demuestra cómo un haz láser, que se origina en el VCSEL y modificado por componentes ópticos, viaja a través del espacio, refleja un objeto y regresa al receptor. El cálculo del lapso de tiempo en este proceso revela información de distancia o profundidad. Sin embargo, esta arquitectura no cubre las rutas de ruido, como el ruido inducido por la luz solar o el ruido múltiple de los reflejos, que se discuten más adelante en la serie.

Clasificación de sistemas TOF

Los sistemas TOF se clasifican principalmente por sus técnicas de medición de distancia: TOF directo (DTOF) e TOF indirecto (ITOF), cada uno con hardware y enfoques algorítmicos distintos. La serie inicialmente describe sus principios antes de profundizar en un análisis comparativo de sus ventajas, desafíos y parámetros del sistema.

A pesar del principio aparentemente simple de TOF, emitir un pulso de luz y detectar su regreso para calcular la distancia, la complejidad radica en diferenciar la luz que regresa de la luz ambiental. Esto se aborda emitiendo una luz suficientemente brillante para lograr una alta relación señal / ruido y seleccionando longitudes de onda apropiadas para minimizar la interferencia de la luz ambiental. Otro enfoque es codificar la luz emitida para que se distingue al regresar, similar a las señales SOS con una linterna.

La serie procede a comparar DTOF e ITOF, discutiendo sus diferencias, ventajas y desafíos en detalle, y clasifica aún más los sistemas TOF en función de la complejidad de la información que proporcionan, que van desde 1D TOF a TOF 3D.

dtof

TOF directo mide directamente el tiempo de vuelo del fotón. Su componente clave, el diodo de avalancha de fotón único (SPAD), es lo suficientemente sensible como para detectar fotones individuales. DTOF emplea el conteo de fotones individuales correlacionados por tiempo (TCSPC) para medir el tiempo de las llegadas de fotones, construyendo un histograma para deducir la distancia más probable en función de la frecuencia más alta de una diferencia de tiempo particular.

ITOF

El TOF indirecto calcula el tiempo de vuelo en función de la diferencia de fase entre las formas de onda emitidas y recibidas, comúnmente utilizando señales de modulación de onda continua o pulso. ITOF puede usar arquitecturas de sensor de imágenes estándar, midiendo la intensidad de la luz con el tiempo.

ITOF se subdivide aún más en la modulación de la onda continua (CW-ITOF) y la modulación de pulso (pulsado-ITOF). CW-ITOF mide el cambio de fase entre ondas sinusoidales emitidas y recibidas, mientras que PULSE-ITOF calcula el cambio de fase usando señales de onda cuadrada.

Reading más:

Wikipedia. (Dakota del Norte). Hora de vuelo. Recuperado dehttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
Grupo de soluciones de semiconductores de Sony. (Dakota del Norte). TOF (hora de vuelo) | Tecnología común de sensores de imagen. Recuperado dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 de febrero). Introducción a Microsoft Time of Flight (TOF) - Plataforma de profundidad Azure. Recuperado dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft tim-of-flight-tof
Escatec. (2023, 2 de marzo). Tiempo de vuelo (TOF) Sensores: una visión general en profundidad y aplicaciones. Recuperado dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-1pth-overview-and-applications

Desde la página webhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/

Por el autor: Chao Guang

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