Noticias - Principio básico y aplicación del sistema TOF (Tiempo 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 general completa de los sistemas TOF, incluidas 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 varios algoritmos. El artículo también explora los diferentes componentes de los sistemas TOF, como los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL), lentes de transmisión y recepción, sensores receptores como CIS, APD, SPAD, SiPM y circuitos de controlador como ASIC.

Introducción a TOF (tiempo de vuelo)

Principios básicos

TOF, que significa Tiempo de Vuelo, es un método que se utiliza para medir la distancia calculando el tiempo que tarda la luz en recorrer una determinada distancia en un medio. Este principio se aplica principalmente en escenarios TOF ópticos y es relativamente sencillo. El proceso implica que una fuente de luz emita un haz de luz y se registre el momento de la emisión. Luego, esta luz se refleja en un objetivo, es capturada por un receptor y se anota el momento de la 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: ópticos y electromagnéticos. Los sensores ópticos ToF, que son más comunes, utilizan pulsos de luz, generalmente en el rango infrarrojo, para medir la distancia. Estos pulsos son emitidos por el sensor, se reflejan en un objeto y regresan al sensor, donde se mide el tiempo de viaje y se utiliza para calcular la distancia. Por el contrario, los sensores ToF electromagnéticos utilizan ondas electromagnéticas, como radar o lidar, para medir la distancia. Operan según un principio similar pero utilizan un medio diferente paramedición 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 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, cada vez más frecuente en los nuevos modelos de vehículos.

Campo médico: Empleado en diagnóstico e imágenes no invasivos, como la tomografía de coherencia óptica (OCT), que produce imágenes de tejido 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 la navegación, la prevención de colisiones y para abordar cuestiones de 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 unaVCSEL, un circuito controlador ASIC para controlar el láser y componentes ópticos para el control del haz, como lentes colimadoras o elementos ópticos difractivos, y filtros.
· Receptor (Rx):Consiste en 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 desde el chip receptor.
·Gestión de energía:Manejando establoEl control de corriente para los VCSEL y el alto voltaje para los SPAD es crucial y requiere una gestión de energía sólida.
· Capa de software:Esto incluye firmware, SDK, sistema operativo y capa de aplicación.

La arquitectura demuestra cómo un rayo láser, procedente del VCSEL y modificado por componentes ópticos, viaja a través del espacio, se refleja en 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 de múltiples rutas proveniente de reflexiones, que se analizan 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) y TOF indirecto (iTOF), cada uno con distintos enfoques algorítmicos y de hardware. Inicialmente, la serie 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 retorno para calcular la distancia), la complejidad radica en diferenciar la luz que regresa de la luz ambiental. Esto se soluciona emitiendo 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 consiste en codificar la luz emitida para que sea distinguible al regresar, similar a las señales SOS con una linterna.

La serie continúa comparando dTOF e iTOF, discutiendo sus diferencias, ventajas y desafíos en detalle, y clasifica aún más los sistemas TOF según la complejidad de la información que brindan, desde 1D TOF hasta 3D TOF.

dTOF

Direct TOF 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 en el tiempo (TCSPC) para medir el tiempo de llegada de los fotones, construyendo un histograma para deducir la distancia más probable en función de la frecuencia más alta de una diferencia de tiempo particular.

iTOF

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 pulso o onda continua. 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). CW-iTOF mide el cambio de fase entre las ondas sinusoidales emitidas y recibidas, mientras que Pulsed-iTOF calcula el cambio de fase utilizando señales de onda cuadrada.

Lectura adicional:

Wikipedia. (Dakota del Norte). Hora de vuelo. Obtenido dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Grupo de soluciones de semiconductores de Sony. (Dakota del Norte). ToF (tiempo de vuelo) | Tecnología común de sensores de imagen. Obtenido dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 de febrero). Introducción a Microsoft Time Of Flight (ToF): plataforma Azure Depth. Obtenido dehttps://devblogs.microsoft.com/azure- Depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 de marzo). Sensores de tiempo de vuelo (TOF): descripción detallada y aplicaciones. Obtenido dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in- Depth-overview-and-applications

Desde la pagina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

por el autor: Chao Guang

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