Subscríbete ás nosas redes sociais para obter publicacións rápidas
Esta serie ten como obxectivo proporcionar aos lectores unha comprensión profunda e progresiva do sistema de tempo de voo (TOF). O contido abrangue unha visión xeral completa dos sistemas TOF, incluíndo explicacións detalladas tanto do TOF indirecto (iTOF) como do TOF directo (dTOF). Estas seccións afondan nos parámetros do sistema, as súas vantaxes e desvantaxes, e varios algoritmos. O artigo tamén explora os diferentes compoñentes dos sistemas TOF, como os láseres de emisión superficial de cavidade vertical (VCSEL), as lentes de transmisión e recepción, os sensores receptores como CIS, APD, SPAD, SiPM e os circuítos controladores como os ASIC.
Introdución ao TOF (Tempo de voo)
Principios básicos
TOF, acrónimo de Tempo de Voo, é un método empregado para medir a distancia calculando o tempo que tarda a luz en percorrer unha determinada distancia nun medio. Este principio aplícase principalmente en escenarios de TOF ópticos e é relativamente sinxelo. O proceso implica que unha fonte de luz emita un feixe de luz, e rexístrase o tempo de emisión. Esta luz entón reflíctese nun obxectivo, é capturada por un receptor e anótase o tempo de recepción. A diferenza nestes tempos, denotada como t, determina a distancia (d = velocidade da luz (c) × t / 2).
Tipos de sensores ToF
Hai dous tipos principais de sensores ToF: ópticos e electromagnéticos. Os sensores ToF ópticos, que son máis comúns, utilizan pulsos de luz, normalmente no rango infravermello, para a medición da distancia. Estes pulsos emítense desde o sensor, reflíctense nun obxecto e regresan ao sensor, onde se mide o tempo de percorrido e se utiliza para calcular a distancia. Pola contra, os sensores ToF electromagnéticos utilizan ondas electromagnéticas, como o radar ou o lidar, para medir a distancia. Funcionan cun principio similar, pero empregan un medio diferente para...medición de distancia.
Aplicacións dos sensores ToF
Os sensores ToF son versátiles e integráronse en varios campos:
Robótica:Usado para a detección de obstáculos e a navegación. Por exemplo, robots como Roomba e Atlas de Boston Dynamics empregan cámaras de profundidade ToF para mapear a súa contorna e planificar movementos.
Sistemas de seguridade:Común nos sensores de movemento para detectar intrusos, activar alarmas ou sistemas de cámaras.
Industria automotriz:Incorporado nos sistemas de asistencia á condución para o control de cruceiro adaptativo e a prevención de colisións, cada vez máis frecuente nos novos modelos de vehículos.
Campo médicoEmpregado en imaxes e diagnósticos non invasivos, como a tomografía de coherencia óptica (OCT), producindo imaxes de tecidos de alta resolución.
Electrónica de consumoIntegrado en teléfonos intelixentes, tabletas e portátiles para funcións como recoñecemento facial, autenticación biométrica e recoñecemento de xestos.
Drons:Utilízase para a navegación, a prevención de colisións e para abordar as preocupacións sobre a privacidade e a aviación
Arquitectura do sistema TOF
Un sistema TOF típico consta de varios compoñentes clave para lograr a medición de distancia como se describe:
· Transmisor (Tx):Isto inclúe unha fonte de luz láser, principalmente unhaVCSEL, un circuíto controlador ASIC para controlar o láser e compoñentes ópticos para o control do feixe, como lentes de colimación ou elementos ópticos difractivos e filtros.
· Receptor (Rx):Isto consiste en lentes e filtros no extremo receptor, sensores como CIS, SPAD ou SiPM dependendo do sistema TOF e un procesador de sinal de imaxe (ISP) para procesar grandes cantidades de datos do chip receptor.
·Xestión de enerxía:Xestionando o estableO control de corrente para os VCSEL e a alta tensión para os SPAD é crucial, o que require unha xestión de enerxía robusta.
· Capa de software:Isto inclúe o firmware, o SDK, o sistema operativo e a capa de aplicación.
A arquitectura demostra como un raio láser, orixinario do VCSEL e modificado por compoñentes ópticos, viaxa polo espazo, reflíctese nun obxecto e regresa ao receptor. O cálculo do lapso de tempo neste proceso revela información de distancia ou profundidade. Non obstante, esta arquitectura non abrangue as rutas de ruído, como o ruído inducido pola luz solar ou o ruído multiruta procedente das reflexións, que se tratan máis adiante na serie.
Clasificación dos sistemas TOF
Os sistemas TOF clasifícanse principalmente polas súas técnicas de medición de distancia: TOF directo (dTOF) e TOF indirecto (iTOF), cada un con diferentes enfoques algorítmicos e de hardware. A serie describe inicialmente os seus principios antes de afondar nunha análise comparativa das súas vantaxes, desafíos e parámetros do sistema.
Malia o principio aparentemente simple da TOF (emitir un pulso de luz e detectar o seu retorno para calcular a distancia), a complexidade reside en diferenciar a luz de retorno da luz ambiental. Isto abórdase emitindo unha luz suficientemente brillante para lograr unha alta relación sinal-ruído e seleccionando lonxitudes de onda axeitadas para minimizar a interferencia da luz ambiental. Outra estratexia é codificar a luz emitida para que sexa distinguible ao retornar, de xeito similar aos sinais SOS cunha lanterna.
A serie procede a comparar o dTOF e o iTOF, analizando en detalle as súas diferenzas, vantaxes e desafíos, e categoriza ademais os sistemas TOF segundo a complexidade da información que proporcionan, dende o TOF 1D ata o TOF 3D.
dTOF
A TOF directa mide directamente o tempo de voo do fotón. O seu compoñente clave, o díodo de avalancha de fotón único (SPAD), é o suficientemente sensible como para detectar fotóns individuais. A dTOF emprega a conta de fotóns únicos correlacionada no tempo (TCSPC) para medir o tempo de chegada dos fotóns, construíndo un histograma para deducir a distancia máis probable baseándose na frecuencia máis alta dunha diferenza de tempo particular.
iTOF
A TOF indirecta calcula o tempo de voo en función da diferenza de fase entre as formas de onda emitidas e as recibidas, normalmente empregando sinais de modulación de onda continua ou pulso. A iTOF pode empregar arquitecturas de sensores de imaxe estándar, medindo a intensidade da luz ao longo do tempo.
A iTOF subdivídese á súa vez en modulación de onda continua (CW-iTOF) e modulación de pulsos (Pulsed-iTOF). A CW-iTOF mide o desprazamento de fase entre as ondas sinusoidais emitidas e recibidas, mentres que a Pulsed-iTOF calcula o desprazamento de fase usando sinais de onda cadrada.
Lecturas adicionais:
- Wikipedia. (nd). Hora do voo. Recuperado dehttps://gl.wikipedia.org/wiki/Tempo_de_voo
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Tempo de voo) | Tecnoloxía común de sensores de imaxe. Recuperado dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 de febreiro de 2021). Introdución a Microsoft Time Of Flight (ToF) - Plataforma de profundidade de Azure. Recuperado dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 de marzo de 2023). Sensores de tempo de voo (TOF): unha visión xeral en profundidade e aplicacións. Recuperado dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Da páxina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
Autor: Chao Guang
Aviso legal:
Por medio da presente declaramos que algunhas das imaxes que se mostran no noso sitio web foron recollidas de Internet e da Wikipedia, co obxectivo de promover a educación e o intercambio de información. Respectamos os dereitos de propiedade intelectual de todos os creadores. O uso destas imaxes non ten como obxectivo obter beneficios comerciais.
Se cres que algún dos contidos empregados infrinxe os teus dereitos de autor, ponte en contacto connosco. Estamos máis que dispostos a tomar as medidas axeitadas, como a eliminación de imaxes ou a atribución axeitada, para garantir o cumprimento das leis e regulamentos de propiedade intelectual. O noso obxectivo é manter unha plataforma rica en contido, xusta e que respecte os dereitos de propiedade intelectual doutras persoas.
Póñase en contacto connosco no seguinte enderezo de correo electrónico:sales@lumispot.cnComprometémonos a tomar medidas inmediatas ao recibir calquera notificación e garantimos unha cooperación do 100 % na resolución de calquera destes problemas.
Data de publicación: 18 de decembro de 2023