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

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Cette série vise à offrir aux lecteurs une compréhension approfondie et progressive du système de temps de vol (TOF). Son contenu propose une vue d'ensemble complète 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 examine également les différents composants des systèmes TOF, tels que les lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), les lentilles de transmission et de réception, les capteurs de réception (CIS, APD, SPAD, SiPM) et les circuits de commande (ASIC).

Introduction au TOF (Temps de vol)

Principes de base

Le TOF (Time of Flight, ou temps de vol) est une méthode de mesure de distance qui consiste à calculer le temps que met la lumière à parcourir une certaine distance dans un milieu. Ce principe, principalement appliqué en optique, est relativement simple. Il repose sur l'émission d'un faisceau lumineux par une source, dont l'instant d'émission est enregistré. Ce faisceau se réfléchit ensuite sur une cible, est capté par un récepteur, et l'instant de réception est également enregistré. La différence entre ces deux instants, 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 ToF optiques, plus répandus, utilisent des impulsions lumineuses, généralement dans l’infrarouge, pour la mesure des distances. Ces impulsions sont émises par le capteur, se réfléchissent sur un objet et reviennent au capteur, où le temps de parcours est mesuré et utilisé pour calculer la distance. À l’inverse, les capteurs ToF électromagnétiques utilisent des ondes électromagnétiques, comme un radar ou un lidar, pour mesurer les distances. Leur principe de fonctionnement est similaire, mais ils utilisent un milieu différent pour la mesure des ondes.mesure de distance.

Applications des capteurs ToF

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

Robotique :Utilisées 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:Couramment utilisés dans les détecteurs de mouvement pour détecter les intrus, déclencher des alarmes ou activer des systèmes de caméras.

Industrie automobile:Intégrés aux systèmes d'aide à la conduite pour le régulateur de vitesse adaptatif et l'évitement des collisions, ils deviennent de plus en plus courants 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 publicIntégrés aux smartphones, tablettes et ordinateurs portables pour des fonctionnalités telles que la reconnaissance faciale, l'authentification biométrique et la reconnaissance gestuelle.

Drones :Utilisé pour la navigation, l'évitement des collisions et pour répondre aux préoccupations liées à la protection de la vie privée et à l'aviation.

Architecture du système TOF

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

· Émetteur (Tx) :Cela comprend une source de lumière laser, principalement unVCSEL, un circuit intégré 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 se compose 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 essentiels et nécessitent une gestion robuste de l'énergie.
· Couche logicielle :Cela inclut le firmware, le SDK, le système d'exploitation et la couche application.

Cette architecture illustre comment un faisceau laser, issu d'un VCSEL et modifié par des composants optiques, se propage dans l'espace, se réfléchit sur un objet et revient au récepteur. Le calcul du temps de propagation lors de ce processus permet d'obtenir des informations sur la distance ou la profondeur. Cependant, cette architecture ne prend pas en compte les sources de bruit, telles que le bruit induit par la lumière solaire ou le bruit dû aux trajets multiples des réflexions, qui seront abordés ultérieurement 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 reposant sur des approches matérielles et algorithmiques distinctes. Cette série présente d’abord leurs principes avant d’aborder une analyse comparative de leurs avantages, de leurs limites et de leurs paramètres système.

Malgré le principe apparemment simple du temps de vol (TOF) – émettre une impulsion lumineuse et détecter son retour pour calculer la distance –, la complexité réside dans la distinction entre la lumière réfléchie et la lumière ambiante. On y remédie en émettant une lumière suffisamment intense pour obtenir un rapport signal/bruit élevé et en sélectionnant des longueurs d'onde appropriées afin de minimiser les interférences lumineuses environnantes. Une autre approche consiste à encoder la lumière émise pour la rendre identifiable à son retour, à l'instar des signaux SOS d'une lampe torche.

La série compare ensuite les systèmes dTOF et iTOF, en détaillant leurs différences, leurs avantages et leurs 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 des photons individuels. Le TOF direct utilise le comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC) pour mesurer le temps d'arrivée des photons et construire un histogramme afin de déduire la distance la plus probable en fonction de la fréquence la plus élevée pour un intervalle de temps donné.

iTOF

La technique iTOF (temps de vol indirect) calcule le temps de vol à partir de la différence de phase entre les signaux émis et reçus, généralement à l'aide de signaux à onde continue ou à modulation d'impulsions. L'iTOF peut utiliser des architectures de capteurs d'image standard, mesurant l'intensité lumineuse au fil du temps.

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

Pour en savoir plus :

Wikipedia. (s.d.). Durée du vol. Consulté surhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Sony Semiconductor Solutions Group. (s.d.). ToF (Temps de vol) | Technologie courante des capteurs d'image. Consulté surhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 février 2021). Introduction à Microsoft Time Of Flight (ToF) - Plateforme Azure Depth. Consulté surhttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 mars). Capteurs de temps de vol (TOF) : présentation détaillée et applications. Consulté surhttps://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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