Actualités - Principe de base et application du système TOF (Time of Flight)

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Cette série vise à fournir aux lecteurs une compréhension approfondie et progressive du système à temps de vol (TOF). Le contenu offre un aperçu complet des systèmes TOF, incluant des explications détaillées sur le TOF indirect (iTOF) et le TOF direct (dTOF). Ces sections explorent les paramètres du système, leurs avantages et inconvénients, ainsi que divers algorithmes. L'article explore également les différents composants des systèmes TOF, tels que les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL), les lentilles d'émission et de réception, les capteurs de réception comme les CIS, APD, SPAD, SiPM, et les circuits de commande comme les ASIC.

Introduction au TOF (Time of Flight)

Principes de base

Le TOF (Time of Flight) est une méthode de mesure de distance qui calcule le temps nécessaire à la lumière pour parcourir une certaine distance dans un milieu. Ce principe, principalement appliqué aux scénarios optiques TOF, est relativement simple. Le procédé consiste à émettre un faisceau lumineux par une source lumineuse, dont le temps d'émission est enregistré. Cette lumière est ensuite réfléchie sur une cible, captée par un récepteur, et le temps de réception est noté. La différence de temps, notée t, détermine la distance (d = vitesse de la lumière (c) × t / 2).

Types de capteurs ToF

Il existe deux principaux types de capteurs ToF : optiques et électromagnétiques. Les capteurs optiques ToF, plus courants, utilisent des impulsions lumineuses, généralement dans l'infrarouge, pour mesurer la distance. Ces impulsions sont émises par le capteur, réfléchies par un objet et renvoyées au capteur, où le temps de trajet est mesuré et utilisé pour calculer la distance. En revanche, les capteurs électromagnétiques ToF utilisent des ondes électromagnétiques, comme le radar ou le lidar, pour mesurer la distance. Leur principe de fonctionnement est similaire, mais ils utilisent un support différent.mesure de distance.

Applications des capteurs ToF

Les capteurs ToF sont polyvalents et ont été intégrés dans divers domaines :

Robotique :Utilisés pour la détection d'obstacles et la navigation. Par exemple, des robots comme Roomba et Atlas de Boston Dynamics utilisent des caméras de profondeur ToF pour cartographier leur environnement et planifier leurs déplacements.

Systèmes de sécurité:Courant dans les capteurs de mouvement pour détecter les intrus, déclencher des alarmes ou activer des systèmes de caméras.

Industrie automobile:Intégré dans les systèmes d'assistance à la conduite pour le régulateur de vitesse adaptatif et l'évitement des collisions, de plus en plus répandu dans les nouveaux modèles de véhicules.

domaine médical:Utilisé dans l'imagerie et le diagnostic non invasifs, tels que la tomographie par cohérence optique (OCT), produisant des images tissulaires à haute résolution.

Électronique grand public:Intégré aux smartphones, tablettes et ordinateurs portables pour des fonctionnalités telles que la reconnaissance faciale, l'authentification biométrique et la reconnaissance des gestes.

Drones :Utilisé pour la navigation, l'évitement des collisions et pour répondre aux préoccupations en matière de confidentialité et d'aviation.

Architecture du système TOF

Un système TOF typique se compose de plusieurs composants clés pour réaliser la mesure de distance comme décrit :

· Émetteur (Tx) :Cela comprend une source de lumière laser, principalement unVCSEL, un circuit de commande ASIC pour piloter le laser, et des composants optiques pour le contrôle du faisceau tels que des lentilles de collimation ou des éléments optiques diffractifs et des filtres.
· Récepteur (Rx) :Il s'agit de lentilles et de filtres à l'extrémité réceptrice, de capteurs tels que CIS, SPAD ou SiPM selon le système TOF, et d'un processeur de signal d'image (ISP) pour traiter de grandes quantités de données provenant de la puce réceptrice.
·Gestion de l'alimentation :Gestion stableLe contrôle du courant pour les VCSEL et la haute tension pour les SPAD sont cruciaux, nécessitant une gestion de l'alimentation robuste.
· Couche logicielle :Cela inclut le micrologiciel, le SDK, le système d'exploitation et la couche d'application.

L'architecture illustre comment un faisceau laser, issu du VCSEL et modifié par des composants optiques, traverse l'espace, se réfléchit sur un objet et revient au récepteur. Le calcul du temps de propagation dans ce processus révèle des informations de distance ou de profondeur. Cependant, cette architecture ne prend pas en compte les chemins de bruit, tels que le bruit induit par la lumière solaire ou le bruit multitrajet dû aux réflexions, qui seront abordés plus loin dans cette série.

Classification des systèmes TOF

Les systèmes TOF sont principalement classés selon leurs techniques de mesure de distance : TOF direct (dTOF) et TOF indirect (iTOF), chacun avec des approches matérielles et algorithmiques distinctes. Cette série présente d'abord leurs principes avant de se pencher sur une analyse comparative de leurs avantages, défis et paramètres système.

Malgré le principe apparemment simple du TOF – émettre une impulsion lumineuse et détecter son retour pour calculer la distance – la complexité réside dans la distinction entre la lumière de retour et la lumière ambiante. Pour y parvenir, il faut émettre une lumière suffisamment intense pour obtenir un rapport signal/bruit élevé et sélectionner des longueurs d'onde appropriées afin de minimiser les interférences lumineuses environnementales. Une autre approche consiste à coder la lumière émise pour la rendre distinguable à son retour, à la manière des signaux SOS d'une lampe de poche.

La série compare ensuite dTOF et iTOF, en discutant en détail de leurs différences, avantages et défis, et catégorise en outre les systèmes TOF en fonction de la complexité des informations qu'ils fournissent, allant du TOF 1D au TOF 3D.

dTOF

Le TOF direct mesure directement le temps de vol du photon. Son composant clé, la diode à avalanche à photon unique (SPAD), est suffisamment sensible pour détecter les photons uniques. Le dTOF utilise le comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC) pour mesurer le temps d'arrivée des photons et construire un histogramme permettant de déduire la distance la plus probable en fonction de la fréquence la plus élevée d'un décalage horaire donné.

iTOF

Le TOF indirect calcule le temps de vol en fonction de la différence de phase entre les formes d'onde émises et reçues, en utilisant généralement des signaux à onde continue ou à modulation d'impulsions. L'iTOF peut utiliser des architectures de capteurs d'images standard, mesurant l'intensité lumineuse au fil du temps.

L'iTOF se subdivise en modulation d'onde continue (CW-iTOF) et modulation d'impulsions (Pulsed-iTOF). La CW-iTOF mesure le déphasage entre les ondes sinusoïdales émises et reçues, tandis que la Pulsed-iTOF calcule le déphasage à l'aide de signaux carrés.

Lectures complémentaires :

Wikipédia. (nd). Temps de vol. Récupéré dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Technologie commune des capteurs d'images. Récupéré dehttps://www.sony-semicon.com/fr/technologies/tof
Microsoft. (4 février 2021). Introduction à Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Récupéré dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 mars 2023). Capteurs de temps de vol (TOF) : aperçu détaillé et applications. Récupéré dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Depuis la page Webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

par l'auteur : Chao Guang

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