Novidades - Principio básico e aplicación do sistema TOF (Time of Flight).

Subscríbete ás nosas redes sociais para obter unha publicación rápida

Esta serie pretende proporcionar aos lectores unha comprensión profunda e progresiva do sistema Time of Flight (TOF). O contido abrangue unha visión xeral dos sistemas TOF, incluíndo explicacións detalladas tanto de TOF indirecto (iTOF) como de TOF directo (dTOF). Estes apartados afondan nos parámetros do sistema, as súas vantaxes e inconvenientes e varios algoritmos. O artigo tamén explora os diferentes compoñentes dos sistemas TOF, como os láseres emisores de superficie de cavidade vertical (VCSEL), lentes de transmisión e recepción, sensores receptores como CIS, APD, SPAD, SiPM e circuítos controladores como ASIC.

Introdución ao TOF (Time of Flight)

Principios básicos

TOF, que significa Time of Flight, é un método usado para medir a distancia calculando o tempo que tarda a luz en percorrer unha determinada distancia nun medio. Este principio aplícase principalmente en escenarios TOF ópticos e é relativamente sinxelo. O proceso implica que unha fonte de luz emite un feixe de luz, co tempo de emisión rexistrado. Esta luz reflicte entón nun obxectivo, é captada por un receptor e nótase o momento de recepción. A diferenza destes tempos, denotada como t, determina a distancia (d = velocidade da luz (c) × t / 2).

Tipos de sensores ToF

Existen dous tipos principais de sensores ToF: ópticos e electromagnéticos. Os sensores ópticos ToF, que son máis comúns, utilizan pulsos de luz, normalmente no rango infravermello, para medir a distancia. Estes pulsos emítense desde o sensor, reflicten un obxecto e volven ao sensor, onde se mide o tempo de viaxe e se usa para calcular a distancia. Pola contra, os sensores electromagnéticos ToF usan ondas electromagnéticas, como radar ou lidar, para medir a distancia. Funcionan cun principio similar pero usan un medio diferente paramedición de distancia.

Aplicacións dos sensores ToF

Os sensores ToF son versátiles e integráronse en varios campos:

Robótica:Úsase para a detección e navegación de obstáculos. Por exemplo, robots como Roomba e Atlas de Boston Dynamics empregan cámaras de profundidade ToF para mapear o seu entorno e planificar movementos.

Sistemas de Seguridade:Sensores de movemento comúns para detectar intrusos, activar alarmas ou activar sistemas de cámara.

Industria da automoción:Incorporado nos sistemas de asistencia ao condutor para o control de crucero adaptativo e a prevención de colisións, sendo cada vez máis frecuente nos novos modelos de vehículos.

Ámbito Médico: Empregado en imaxes e diagnósticos non invasivos, como a tomografía de coherencia óptica (OCT), producindo imaxes de tecidos de alta resolución.

Electrónica de consumo: Integrado en teléfonos intelixentes, tabletas e portátiles para funcións como o recoñecemento facial, a autenticación biométrica e o recoñecemento de xestos.

Drones:Úsase para navegar, evitar colisións e resolver problemas de privacidade e aviación

Arquitectura de sistema TOF

Un sistema TOF típico consta de varios compoñentes clave para conseguir a medición da distancia como se describe:

· Transmisor (Tx):Isto inclúe unha fonte de luz láser, principalmente aVCSEL, un circuíto controlador ASIC para impulsar o láser, e compoñentes ópticos para o control do feixe como lentes colimantes ou elementos ópticos difractivos e filtros.
· Receptor (Rx):Consta de 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:Xestión estableO control de corrente para os VCSEL e a alta tensión para os SPAD é crucial, xa que require unha xestión robusta da enerxía.
· Capa de software:Isto inclúe firmware, SDK, SO e capa de aplicación.

A arquitectura demostra como un raio láser, orixinado do VCSEL e modificado por compoñentes ópticos, viaxa polo espazo, reflicte un obxecto e regresa ao receptor. O cálculo do lapso de tempo neste proceso revela información de distancia ou profundidade. Non obstante, esta arquitectura non cobre camiños de ruído, como o ruído inducido pola luz solar ou o ruído de múltiples camiños procedentes das reflexións, que se comentan máis adiante na serie.

Clasificación de sistemas TOF

Os sistemas TOF clasifícanse principalmente polas súas técnicas de medición de distancia: TOF directo (dTOF) e TOF indirecto (iTOF), cada un con distintos enfoques de hardware e algorítmicos. A serie expón inicialmente os seus principios antes de afondar nunha análise comparativa das súas vantaxes, desafíos e parámetros do sistema.

A pesar do principio aparentemente sinxelo de TOF - emitir un pulso luminoso e detectar o seu retorno para calcular a distancia - a complexidade reside en diferenciar a luz que retorna da luz ambiental. Isto é resolto emitindo luz suficientemente brillante para lograr unha alta relación sinal-ruído e seleccionando lonxitudes de onda adecuadas para minimizar a interferencia da luz ambiental. Outro enfoque é codificar a luz emitida para que sexa distinguible ao regresar, de xeito similar aos sinais SOS cunha lanterna.

A serie procede a comparar dTOF e iTOF, discutindo as súas diferenzas, vantaxes e desafíos en detalle, e clasifica máis os sistemas TOF en función da complexidade da información que proporcionan, que van desde 1D TOF ata 3D TOF.

dTOF

O TOF directo mide directamente o tempo de voo do fotón. O seu compoñente clave, o diodo de avalancha de fotón único (SPAD), é o suficientemente sensible como para detectar fotóns únicos. dTOF emprega Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) para medir o tempo de chegada de fotóns, construíndo un histograma para deducir a distancia máis probable en función da frecuencia máis alta dunha diferenza de tempo particular.

iTOF

O TOF indirecto calcula o tempo de voo en función da diferenza de fase entre as formas de onda emitidas e recibidas, normalmente utilizando sinais de modulación de ondas ou pulsos continuos. iTOF pode usar arquitecturas de sensores de imaxe estándar, medindo a intensidade da luz ao longo do tempo.

iTOF subdivide ademais en modulación de onda continua (CW-iTOF) e modulación de pulsos (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mide o cambio de fase entre as ondas sinusoidais emitidas e recibidas, mentres que Pulsed-iTOF calcula o desprazamento de fase usando sinais de onda cadrada.

Lecturas adicionais:

Wikipedia. (nd). Tempo de voo. Recuperado dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Hora de Voo) | Tecnoloxía común dos 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) - Azure Depth Platform. 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 e aplicacións en profundidade. Recuperado dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Dende a páxina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

polo autor: Chao Guang

Exención de responsabilidade:

Declaramos que algunhas das imaxes que aparecen no noso sitio web son recollidas de Internet e 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 finalidade un beneficio comercial.

Se cres que algún dos contidos utilizados infrinxe os teus dereitos de autor, ponte en contacto connosco. Estamos máis que dispostos a tomar as medidas adecuadas, incluíndo a eliminación de imaxes ou a atribución adecuada, 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 dos demais.

Póñase en contacto connosco no seguinte enderezo de correo electrónico:sales@lumispot.cn. Compromémonos a tomar medidas inmediatas despois de recibir calquera notificación e garantimos unha cooperación ao 100 % para resolver tales problemas.