Notícies - Principi bàsic i aplicació del sistema TOF (temps de vol)

Subscriu-te a les nostres xarxes socials per a publicacions ràpides

Aquesta sèrie pretén proporcionar als lectors una comprensió profunda i progressiva del sistema de temps de vol (TOF). El contingut cobreix una visió general completa dels sistemes TOF, incloent-hi explicacions detallades tant del TOF indirecte (iTOF) com del TOF directe (dTOF). Aquestes seccions aprofundeixen en els paràmetres del sistema, els seus avantatges i desavantatges, i diversos algoritmes. L'article també explora els diferents components dels sistemes TOF, com ara els làsers d'emissió superficial de cavitat vertical (VCSEL), les lents de transmissió i recepció, els sensors receptors com ara CIS, APD, SPAD, SiPM i els circuits controladors com els ASIC.

Introducció al TOF (Temps de Vol)

Principis bàsics

TOF, acrònim de Temps de Vol, és un mètode que s'utilitza per mesurar la distància calculant el temps que triga la llum a recórrer una certa distància en un medi. Aquest principi s'aplica principalment en escenaris TOF òptics i és relativament senzill. El procés implica que una font de llum emeti un feix de llum, i es registra el temps d'emissió. Aquesta llum es reflecteix en un objectiu, és capturada per un receptor i es registra el temps de recepció. La diferència entre aquests temps, denotada com a t, determina la distància (d = velocitat de la llum (c) × t / 2).

Tipus de sensors ToF

Hi ha dos tipus principals de sensors ToF: òptics i electromagnètics. Els sensors ToF òptics, que són més comuns, utilitzen polsos de llum, normalment en el rang d'infrarojos, per mesurar la distància. Aquests polsos s'emeten des del sensor, es reflecteixen en un objecte i tornen al sensor, on es mesura el temps de viatge i s'utilitza per calcular la distància. En canvi, els sensors ToF electromagnètics utilitzen ones electromagnètiques, com el radar o el lidar, per mesurar la distància. Funcionen amb un principi similar però utilitzen un medi diferent per a...mesura de distància.

Aplicacions dels sensors ToF

Els sensors ToF són versàtils i s'han integrat en diversos camps:

Robòtica:S'utilitza per a la detecció d'obstacles i la navegació. Per exemple, robots com Roomba i Atlas de Boston Dynamics utilitzen càmeres de profunditat ToF per cartografiar el seu entorn i planificar moviments.

Sistemes de seguretat:Comú en sensors de moviment per detectar intrusos, activar alarmes o sistemes de càmeres.

Indústria de l'automòbil:Incorporat en sistemes d'assistència al conductor per al control de creuer adaptatiu i la prevenció de col·lisions, i cada cop és més freqüent en els nous models de vehicles.

Camp mèdicS'utilitza en imatges i diagnòstics no invasius, com ara la tomografia de coherència òptica (OCT), produint imatges de teixits d'alta resolució.

Electrònica de consumIntegrat en telèfons intel·ligents, tauletes i ordinadors portàtils per a funcions com el reconeixement facial, l'autenticació biomètrica i el reconeixement de gestos.

Drons:Utilitzat per a la navegació, la prevenció de col·lisions i per abordar les preocupacions sobre la privadesa i l'aviació.

Arquitectura del sistema TOF

Un sistema TOF típic consta de diversos components clau per aconseguir la mesura de distància tal com es descriu:

· Transmissor (Tx):Això inclou una font de llum làser, principalment unaVCSEL, un circuit controlador ASIC per controlar el làser, i components òptics per al control del feix, com ara lents de colimació o elements òptics difractius, i filtres.
· Receptor (Rx):Això consisteix en lents i filtres a l'extrem receptor, sensors com CIS, SPAD o SiPM segons el sistema TOF, i un processador de senyal d'imatge (ISP) per processar grans quantitats de dades del xip receptor.
·Gestió d'energia:Gestionar l'estableEl control del corrent per als VCSEL i l'alt voltatge per als SPAD és crucial, i requereix una gestió d'energia robusta.
· Capa de programari:Això inclou el firmware, l'SDK, el sistema operatiu i la capa d'aplicació.

L'arquitectura demostra com un feix làser, originat des del VCSEL i modificat per components òptics, viatja per l'espai, es reflecteix en un objecte i torna al receptor. El càlcul del lapse de temps en aquest procés revela informació de distància o profunditat. Tanmateix, aquesta arquitectura no cobreix els camins de soroll, com ara el soroll induït per la llum solar o el soroll multicamí de les reflexions, que es discuteixen més endavant a la sèrie.

Classificació dels sistemes TOF

Els sistemes TOF es classifiquen principalment per les seves tècniques de mesura de distància: TOF directe (dTOF) i TOF indirecte (iTOF), cadascuna amb diferents enfocaments de maquinari i algorítmics. La sèrie descriu inicialment els seus principis abans d'aprofundir en una anàlisi comparativa dels seus avantatges, reptes i paràmetres del sistema.

Malgrat el principi aparentment simple de TOF (emetre un pols de llum i detectar el seu retorn per calcular la distància), la complexitat rau en diferenciar la llum de retorn de la llum ambiental. Això s'aborda emetent una llum prou brillant per aconseguir una relació senyal-soroll alta i seleccionant longituds d'ona adequades per minimitzar la interferència de la llum ambiental. Un altre enfocament és codificar la llum emesa per fer-la distingible en retornar, de manera similar als senyals SOS amb una llanterna.

La sèrie procedeix a comparar el dTOF i l'iTOF, discutint detalladament les seves diferències, avantatges i reptes, i classifica encara més els sistemes TOF en funció de la complexitat de la informació que proporcionen, que van des del TOF 1D fins al TOF 3D.

dTOF

El TOF directe mesura directament el temps de vol del fotó. El seu component clau, el díode d'allau de fotó individual (SPAD), és prou sensible per detectar fotons individuals. El dTOF utilitza el recompte de fotó individual correlacionat amb el temps (TCSPC) per mesurar el temps d'arribada dels fotons, construint un histograma per deduir la distància més probable en funció de la freqüència més alta d'una diferència de temps particular.

iTOF

El TOF indirecte calcula el temps de vol basant-se en la diferència de fase entre les formes d'ona emeses i rebudes, normalment utilitzant senyals de modulació d'ona contínua o pols. L'iTOF pot utilitzar arquitectures de sensors d'imatge estàndard, mesurant la intensitat de la llum al llarg del temps.

La iTOF es subdivideix en modulació d'ona contínua (CW-iTOF) i modulació per polsos (Pulsed-iTOF). La CW-iTOF mesura el canvi de fase entre les ones sinusoïdals emeses i rebudes, mentre que la Pulsed-iTOF calcula el canvi de fase utilitzant senyals d'ona quadrada.

Lectures addicionals:

Viquipèdia. (nd). Hora del vol. Obtingut dehttps://ca.wikipedia.org/wiki/Temps_de_vol
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Temps de vol) | Tecnologia comuna de sensors d'imatge. Recuperat dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 de febrer de 2021). Introducció a Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Recuperat dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 de març de 2023). Sensors de temps de vol (TOF): una visió general en profunditat i aplicacions. Recuperat dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Des de la pàgina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

de l'autor: Chao Guang

Avís legal:

Per la present declarem que algunes de les imatges que es mostren al nostre lloc web s'han extret d'Internet i de la Viquipèdia, amb l'objectiu de promoure l'educació i la compartició d'informació. Respectem els drets de propietat intel·lectual de tots els creadors. L'ús d'aquestes imatges no té com a objectiu lucratiu.

Si creieu que algun dels continguts utilitzats infringeix els vostres drets d'autor, poseu-vos en contacte amb nosaltres. Estem més que disposats a prendre les mesures adequades, com ara eliminar imatges o proporcionar l'atribució adequada, per garantir el compliment de les lleis i regulacions de propietat intel·lectual. El nostre objectiu és mantenir una plataforma rica en contingut, justa i que respecti els drets de propietat intel·lectual dels altres.

Si us plau, poseu-vos en contacte amb nosaltres a la següent adreça de correu electrònic:sales@lumispot.cnEns comprometem a prendre mesures immediates en rebre qualsevol notificació i garantim una cooperació del 100% per resoldre qualsevol d'aquests problemes.