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 Time of Flight (TOF). Le contenu couvre un aperçu complet des systèmes TOF, y compris des explications détaillées du TOF indirect (iTOF) et du TOF direct (dTOF). Ces sections approfondissent 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 et à émission de surface (VCSEL), les lentilles de transmission et de réception, les capteurs de réception tels que CIS, APD, SPAD, SiPM et les circuits de commande tels que les ASIC.

Introduction au TOF (temps de vol)

Principes de base

TOF, pour Time of Flight, est une méthode utilisée pour mesurer la distance en calculant le temps nécessaire à la lumière pour parcourir 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, dont l'heure d'émission est enregistrée. Cette lumière se reflète ensuite sur une cible, est capturée par un récepteur et l'heure de réception est notée. La différence entre ces 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 la plage infrarouge, pour mesurer la distance. Ces impulsions sont émises par le capteur, réfléchies sur 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. Ils fonctionnent selon un principe similaire mais utilisent un support différent pourmesure de distance.

Applications des capteurs ToF

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

Robotique :Utilisé 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 mouvements.

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

Industrie automobile:Incorporé dans les systèmes d'aide à la conduite pour le régulateur de vitesse adaptatif et l'évitement des collisions, il devient 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.

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

Drone :Utilisé pour la navigation, la prévention 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 réaliser la mesure de distance comme décrit :

· Émetteur (Émission) :Cela comprend une source de lumière laser, principalement unVCSEL, un circuit pilote ASIC pour piloter le laser, et des composants optiques pour le contrôle du faisceau tels que des lentilles collimatrices ou des éléments optiques diffractifs, et des filtres.
· Récepteur (Rx) :Il s'agit de lentilles et de filtres à la réception, de capteurs tels que CIS, SPAD ou SiPM en fonction du système TOF, ainsi que d'un processeur de signal d'image (ISP) pour traiter de grandes quantités de données provenant de la puce réceptrice.
·Gestion de l'alimentation :Gérer l'écuriele contrôle du courant pour les VCSEL et de la haute tension pour les SPAD est crucial, nécessitant une gestion robuste de l'énergie.
· Couche logicielle :Cela inclut le micrologiciel, 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 retourne au récepteur. Le calcul du time lapse dans ce processus révèle des informations sur la distance ou la profondeur. Cependant, cette architecture ne couvre pas les chemins de bruit, tels que le bruit induit par la lumière solaire ou le bruit à trajets multiples provenant des réflexions, qui seront abordés plus loin dans la 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. La série présente d'abord leurs principes avant de se plonger dans une analyse comparative de leurs avantages, défis et paramètres du 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 différenciation de la lumière renvoyée par la lumière ambiante. Ce problème est résolu en émettant une lumière suffisamment brillante pour obtenir un rapport signal/bruit élevé et en sélectionnant des longueurs d'onde appropriées pour minimiser les interférences lumineuses environnementales. Une autre approche consiste à coder la lumière émise pour la rendre reconnaissable au retour, comme les signaux SOS avec une lampe de poche.

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

dTOF

Direct TOF mesure directement le temps de vol du photon. Son composant clé, la diode à avalanche de photons uniques (SPAD), est suffisamment sensible pour détecter des photons uniques. dTOF utilise le comptage de photons uniques corrélé dans le temps (TCSPC) pour mesurer l'heure d'arrivée des photons, en construisant un histogramme pour déduire la distance la plus probable en fonction de la fréquence la plus élevée d'une différence de temps particulière.

iTOF

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

iTOF est subdivisé en modulation d'onde continue (CW-iTOF) et modulation d'impulsions (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mesure le déphasage entre les ondes sinusoïdales émises et reçues, tandis que Pulsed-iTOF calcule le déphasage à l'aide de signaux d'onde carrée.

Lectures complémentaires :

Wikipédia. (sd). Temps de vol. Récupéré dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Groupe Sony de solutions pour semi-conducteurs. (sd). ToF (temps de vol) | Technologie commune des capteurs d’images. Récupéré dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 février). Introduction à Microsoft Time Of Flight (ToF) - Plateforme Azure Depth. Récupéré dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-degree-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 mars 2023). Capteurs de temps de vol (TOF) : un aperçu détaillé et des applications. Récupéré dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-owned-overview-and-applications

À partir de la page Webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

de l'auteur : Chao Guang

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