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Esta serie busca proporcionar a los lectores una comprensión profunda y progresiva del sistema de Tiempo de Vuelo (TOF). El contenido abarca una visión general completa de los sistemas TOF, incluyendo explicaciones detalladas tanto del TOF indirecto (iTOF) como del TOF directo (dTOF). Estas secciones profundizan en los parámetros del sistema, sus ventajas y desventajas, y diversos algoritmos. El artículo también explora los diferentes componentes de los sistemas TOF, como los láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), las lentes de transmisión y recepción, los sensores de recepción como CIS, APD, SPAD y SiPM, y los circuitos de control como los ASIC.
Introducción a TOF (Tiempo de vuelo)
Principios básicos
TOF, siglas de Tiempo de Vuelo, es un método utilizado para medir distancias mediante el cálculo del tiempo que tarda la luz en recorrer una distancia determinada en un medio. Este principio se aplica principalmente en escenarios de TOF óptico y es relativamente sencillo. El proceso implica que una fuente de luz emite un haz de luz, cuyo tiempo de emisión se registra. Esta luz se refleja en un objetivo, es captada por un receptor y se registra el tiempo de recepción. La diferencia entre estos tiempos, denotada como t, determina la distancia (d = velocidad de la luz (c) × t / 2).
Tipos de sensores ToF
Existen dos tipos principales de sensores ToF: ópticos y electromagnéticos. Los sensores ToF ópticos, más comunes, utilizan pulsos de luz, generalmente en el rango infrarrojo, para medir la distancia. Estos pulsos se emiten desde el sensor, se reflejan en un objeto y regresan al sensor, donde se mide el tiempo de recorrido y se utiliza para calcular la distancia. Por el contrario, los sensores ToF electromagnéticos utilizan ondas electromagnéticas, como el radar o el lidar, para medir la distancia. Funcionan con un principio similar, pero utilizan un medio diferente.medición de distancia.
Aplicaciones de los sensores ToF
Los sensores ToF son versátiles y se han integrado en varios campos:
Robótica:Se utiliza para la detección de obstáculos y la navegación. Por ejemplo, robots como Roomba y Atlas de Boston Dynamics emplean cámaras de profundidad ToF para mapear su entorno y planificar sus movimientos.
Sistemas de seguridad:Común en sensores de movimiento para detectar intrusos, activar alarmas o activar sistemas de cámaras.
Industria automotriz:Incorporado en sistemas de asistencia al conductor para control de crucero adaptativo y prevención de colisiones, se está volviendo cada vez más frecuente en los nuevos modelos de vehículos.
Campo médico:Se emplea en imágenes y diagnósticos no invasivos, como la tomografía de coherencia óptica (OCT), produciendo imágenes de tejidos de alta resolución.
Electrónica de consumo:Integrado en teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras portátiles para funciones como reconocimiento facial, autenticación biométrica y reconocimiento de gestos.
Drones:Se utiliza para navegación, prevención de colisiones y para abordar preocupaciones sobre privacidad y aviación.
Arquitectura del sistema TOF
Un sistema TOF típico consta de varios componentes clave para lograr la medición de distancia como se describe:
· Transmisor (Tx):Esto incluye una fuente de luz láser, principalmente unVCSEL, un circuito controlador ASIC para accionar el láser y componentes ópticos para el control del haz, como lentes colimadoras o elementos ópticos difractivos y filtros.
· Receptor (Rx):Este consta de lentes y filtros en el extremo receptor, sensores como CIS, SPAD o SiPM según el sistema TOF y un procesador de señal de imagen (ISP) para procesar grandes cantidades de datos del chip receptor.
·Administración de energía:Gestión estableEl control de corriente para VCSEL y de alto voltaje para SPAD es crucial y requiere una gestión de energía robusta.
· Capa de software:Esto incluye firmware, SDK, sistema operativo y capa de aplicación.
La arquitectura demuestra cómo un rayo láser, originado en el VCSEL y modificado por componentes ópticos, viaja por el espacio, se refleja en un objeto y regresa al receptor. El cálculo del lapso de tiempo en este proceso revela información sobre la distancia o la profundidad. Sin embargo, esta arquitectura no contempla las trayectorias de ruido, como el ruido inducido por la luz solar o el ruido multitrayectoria de las reflexiones, que se describen más adelante en esta serie.
Clasificación de los sistemas TOF
Los sistemas TOF se clasifican principalmente según sus técnicas de medición de distancia: TOF directo (dTOF) y TOF indirecto (iTOF), cada uno con hardware y enfoques algorítmicos distintos. La serie describe inicialmente sus principios antes de profundizar en un análisis comparativo de sus ventajas, desafíos y parámetros del sistema.
A pesar del principio aparentemente simple del TOF (emitir un pulso de luz y detectar su retorno para calcular la distancia), la complejidad radica en diferenciar la luz de retorno de la luz ambiental. Esto se soluciona emitiendo luz lo suficientemente brillante como para lograr una alta relación señal-ruido y seleccionando longitudes de onda adecuadas para minimizar la interferencia de la luz ambiental. Otro enfoque consiste en codificar la luz emitida para que sea distinguible al regresar, de forma similar a las señales de SOS con una linterna.
La serie procede a comparar dTOF e iTOF, analizando sus diferencias, ventajas y desafíos en detalle, y además clasifica los sistemas TOF según la complejidad de la información que proporcionan, desde TOF 1D hasta TOF 3D.
dTOF
El 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. El dTOF emplea el Conteo de Fotón Único Correlacionado con el Tiempo (TCSPC) para medir el tiempo de llegada de los fotones, construyendo un histograma que deduce la distancia más probable con base en la frecuencia más alta de una diferencia temporal específica.
iTOF
El TOF indirecto calcula el tiempo de vuelo basándose en la diferencia de fase entre las formas de onda emitidas y recibidas, comúnmente utilizando señales de modulación de pulso o de onda continua. El iTOF puede utilizar arquitecturas de sensores de imagen estándar y medir la intensidad de la luz a lo largo del tiempo.
iTOF se subdivide en modulación de onda continua (CW-iTOF) y modulación de pulso (Pulsed-iTOF). La CW-iTOF mide el desfase entre las ondas sinusoidales emitidas y recibidas, mientras que la Pulsed-iTOF calcula el desfase mediante señales de onda cuadrada.
Lectura adicional:
- Wikipedia. (sin fecha). Tiempo de vuelo. Recuperado dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (sf). Tiempo de vuelo (ToF) | Tecnología común de sensores de imagen. Recuperado dehttps://www.sony-semicon.com/es/tecnologías/tof
- Microsoft. (4 de febrero de 2021). Introducción a Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Recuperado dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/introducción-al-tiempo-de-vuelo-de-microsoft-tof
- ESCATEC. (2 de marzo de 2023). Sensores de tiempo de vuelo (TOF): Una descripción detallada y aplicaciones. Recuperado dehttps://www.escatec.com/noticias/tiempo-de-vuelo-de-sensores-una-visión-profunda-y-sus-aplicaciones
Desde la página webhttps://más-rápido-que-la-luz.net/TOFSystem_C1/
por el autor: Chao Guang
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Hora de publicación: 18 de diciembre de 2023