NOUVELLES - Principe de base et application du système TOF (Temps de vol)

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Cette série vise à fournir aux lecteurs une compréhension approfondie et progressive du système de temps de vol (TOF). Le contenu couvre un aperçu complet des systèmes TOF, y compris des explications détaillées de la TOF indirecte (ITOF) et du TOF direct (DTOF). Ces sections se plongent dans les paramètres du système, leurs avantages et leurs inconvénients et divers algorithmes. L'article explore également les différents composants des systèmes TOF, tels que les lasers émettant de la surface de la cavité verticale (VCSEL), les lentilles de transmission et de réception, recevant des capteurs comme CIS, APD, SPAD, SIPM et circuits de pilote comme les ASIC.

Introduction au TOF (temps de vol)

Principes de base

Le TOF, debout pour le temps de vol, est une méthode utilisée pour mesurer la distance en calculant le temps nécessaire pour que la lumière parcourt une certaine distance dans un milieu. Ce principe est principalement appliqué dans les scénarios TOF optiques et est relativement simple. Le processus implique une source de lumière émettant un faisceau de lumière, avec le temps d'émission enregistré. Cette lumière se reflète ensuite sur une cible, est capturée par un récepteur et le temps de réception est noté. La différence dans ces temps, désignée T, détermine la distance (d = vitesse de la lumière (C) × T / 2).

Types de capteurs TOF

Il existe deux types principaux de capteurs TOF: optique et électromagnétique. Les capteurs TOF optiques, qui sont plus courants, utilisent des impulsions légères, généralement dans la plage infrarouge, pour la mesure de la distance. Ces impulsions sont émises par le capteur, réfléchissent sur un objet et retournent au capteur, où le temps de trajet est mesuré et utilisé pour calculer la distance. En revanche, les capteurs TOF électromagnétiques utilisent des ondes électromagnétiques, comme le radar ou le lidar, pour mesurer la distance. Ils fonctionnent sur un principe similaire mais utilisent un support différent pourmesure de la distance.

Applications de capteurs TOF

Les capteurs TOF sont polyvalents et ont été intégrés dans divers champs:

Robotique:Utilisé pour la détection et la navigation d'obstacles. Par exemple, des robots comme Romberba et l'atlas de Boston Dynamics utilisent des caméras de profondeur TOF pour cartographier leur environnement et leurs mouvements de planification.

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

Industrie automobile:Incorporé dans les systèmes d'assistants conducteur pour le régulateur de vitesse adaptatif et l'évitement des collisions, devenant de plus en plus répandu dans les nouveaux modèles de véhicules.

Domaine médical: Employé 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 dans les smartphones, les tablettes et les 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 problèmes de confidentialité et d'aviation

Architecture du système TOF

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

· Émetteur (TX):Cela comprend une source de lumière laser, principalement unVcsel, un circuit conducteur ASIC pour conduire le laser, et des composants optiques pour le contrôle du faisceau tels que les lentilles de collimation ou les éléments optiques diffractifs et les filtres.
· Récepteur (RX):Il s'agit de lentilles et de filtres à l'extrémité de réception, de capteurs comme CIS, SPAD ou SIPM en fonction du système TOF, et un processeur de signal d'image (ISP) pour le traitement de grandes quantités de données de la puce du récepteur.
·Gestion de l'alimentation:Gérer stableLe contrôle de courant pour les VCSEL et la haute tension pour les SPADS est crucial, nécessitant une gestion robuste de l'alimentation.
· Couche du logiciel:Cela comprend le firmware, le SDK, le système d'exploitation et la couche d'application.

L'architecture montre comment un faisceau laser, provenant du VCSEL et modifié par des composants optiques, voyage dans l'espace, se reflète sur un objet et revient au récepteur. Le calcul de laps de temps dans ce processus révèle des informations de distance ou de profondeur. Cependant, cette architecture ne couvre pas les chemins de bruit, tels que le bruit induit par la lumière du soleil ou le bruit multipathe des réflexions, qui sont discutées plus tard dans la série.

Classification des systèmes TOF

Les systèmes TOF sont principalement classés par leurs techniques de mesure de distance: TOF direct (DTOF) et TOF indirect (ITOF), chacun avec des approches matérielles et algorithmiques distinctes. La série décrit initialement leurs principes avant de plonger dans une analyse comparative de leurs avantages, défis et paramètres du système.

Malgré le principe apparemment simple de TOF - émettant une impulsion de lumière et détectant son retour pour calculer la distance - la complexité réside dans la différenciation de la lumière de retour de la lumière ambiante. Ceci est traité en émettant une lumière suffisamment brillante pour obtenir un rapport signal / bruit élevé et en sélectionnant des longueurs d'onde appropriées pour minimiser l'interférence de la lumière environnementale. Une autre approche consiste à coder la lumière émise pour la faire distinguer à retour, similaire aux signaux SOS avec une lampe de poche.

La série continue de comparer le DTOF et l'ITOF, discutant de leurs différences, avantages et défis en détail, et catégorise en outre les systèmes TOF basés sur la complexité des informations qu'ils fournissent, allant du TOF 1D à TOF 3D.

dtof

Le TOF direct mesure directement le temps de vol du photon. Son composant clé, la diode d'avalanche de photons unique (SPAD), est suffisamment sensible pour détecter les photons uniques. Le DTOF utilise le temps de comptage de photons unique corrélé (TCSPC) pour mesurer le temps des arrivées de photons, en construisant un histogramme pour déduire la distance la plus probable en fonction de la fréquence la plus élevée d'un décalage horaire particulier.

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 couramment des signaux de modulation d'onde ou d'impulsion continus. ITOF peut utiliser des architectures de capteur d'image standard, mesurant l'intensité de la lumière au fil du temps.

L'ITOF est en outre subdivisé en modulation d'onde continue (CW-ITOF) et modulation d'impulsion (pulsé-ITOF). CW-ITOF mesure le décalage de phase entre les ondes sinusoïdales émises et reçues, tandis que l'ITOF pulsé calcule le décalage de phase à l'aide de signaux d'onde carrée.

Lecture plus avant:

Wikipedia. (nd). Temps de vol. Récupéré dehttps://en.wikipedia.org/wiki/time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). TOF (heure du vol) | Technologie commune des capteurs d'image. Récupéré dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 février). Intro au Microsoft Time of Flight (TOF) - Azure Depth Platform. Récupéré dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-offlight-tof
Escatec. (2023, 2 mars). Capteurs de temps de vol (TOF): une vue d'ensemble et des applications approfondies. Récupéré dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-epth-overview-and-applications

De la page Webhttps://faster-than-light.net/tofsystem_c1/

par l'auteur: Chao Guang

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