Notícies - Principis bàsics i aplicació del sistema TOF (Time of Flight).

Subscriu-te a les nostres xarxes socials per a una publicació ràpida

Aquesta sèrie pretén oferir als lectors una comprensió profunda i progressiva del sistema Time of Flight (TOF). El contingut cobreix una visió general completa dels sistemes TOF, incloent explicacions detallades tant del TOF indirecte (iTOF) com del TOF directe (dTOF). Aquestes seccions aprofundeixen en els paràmetres del sistema, els seus avantatges i inconvenients, i diversos algorismes. L'article també explora els diferents components dels sistemes TOF, com ara els làsers d'emissió de superfícies de cavitat vertical (VCSEL), lents de transmissió i recepció, sensors receptors com CIS, APD, SPAD, SiPM i circuits de controlador com ASIC.

Introducció a TOF (Time of Flight)

Principis bàsics

TOF, que significa Temps de vol, és un mètode utilitzat per mesurar la distància calculant el temps que triga la llum a recórrer una distància determinada en un medi. Aquest principi s'aplica principalment en escenaris TOF òptics i és relativament senzill. El procés implica una font de llum que emet un feix de llum, amb el temps d'emissió registrat. Aleshores, aquesta llum es reflecteix en un objectiu, és capturada per un receptor i s'anota el temps de recepció. La diferència en aquests temps, denotada com 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 òptics ToF, 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 electromagnètics ToF utilitzen ones electromagnètiques, com el radar o el lidar, per mesurar la distància. Funcionen amb un principi similar, però utilitzen un mitjà diferentmesura 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 mapejar el seu entorn i planificar els moviments.

Sistemes de seguretat:Sensors de moviment habituals per detectar intrusos, activar alarmes o activar sistemes de càmeres.

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

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

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

Drones:S'utilitza per a la navegació, la prevenció de col·lisions i per abordar problemes de privadesa i aviació

Arquitectura del sistema TOF

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

· Transmissor (Tx):Això inclou una font de llum làser, principalment aVCSEL, un circuit controlador ASIC per conduir el làser, i components òptics per al control del feix com ara lents col·limadores o elements òptics difractius i filtres.
· Receptor (Rx):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:Gestió estableEl control de corrent per als VCSEL i l'alta tensió per als SPAD és crucial, ja que requereix una gestió robusta de l'energia.
· Capa de programari:Això inclou firmware, SDK, sistema operatiu i capa d'aplicació.

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

Classificació de sistemes TOF

Els sistemes TOF es classifiquen principalment per les seves tècniques de mesura de la distància: TOF directe (dTOF) i TOF indirecte (iTOF), cadascun amb diferents enfocaments de maquinari i algorítmics. La sèrie exposa 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 a diferenciar la llum que retorna de la llum ambiental. Això es soluciona emetent una llum prou brillant per aconseguir una alta relació senyal-soroll 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 a la tornada, de manera similar als senyals SOS amb una llanterna.

La sèrie procedeix a comparar dTOF i iTOF, discutint les seves diferències, avantatges i reptes en detall, i classifica els sistemes TOF en funció de la complexitat de la informació que proporcionen, que van des de TOF 1D fins a TOF 3D.

dTOF

Direct TOF mesura directament el temps de vol del fotó. El seu component clau, el Single Photon Avalanche Diode (SPAD), és prou sensible per detectar fotons individuals. dTOF utilitza el recompte de fotons únics correlacionats amb el temps (TCSPC) per mesurar el temps d'arribada de 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 en funció de la diferència de fase entre les formes d'ona emeses i rebudes, normalment utilitzant senyals de modulació d'ona o pols contínua. iTOF pot utilitzar arquitectures estàndard de sensors d'imatge, mesurant la intensitat de la llum al llarg del temps.

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

Lectures posteriors:

Viquipèdia. (nd). Temps de vol. Recuperat dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Tecnologia comuna de sensors d'imatge. Recuperat dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 de febrer). 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. (2023, 2 de març). Sensors de temps de vol (TOF): una visió general i aplicacions en profunditat. 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/

per l'autor: Chao Guang

Exempció de responsabilitat:

Per la present declarem que algunes de les imatges que es mostren al nostre lloc web estan recollides d'Internet i de la Viquipèdia, amb l'objectiu de promoure l'educació i l'intercanvi d'informació. Respectem els drets de propietat intel·lectual de tots els creadors. L'ús d'aquestes imatges no té com a finalitat un benefici comercial.

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 oferir una 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.

Poseu-vos en contacte amb nosaltres a la següent adreça de correu electrònic:sales@lumispot.cn. Ens comprometem a prendre mesures immediates quan rebem qualsevol notificació i garantim una cooperació al 100% per resoldre aquests problemes.