Novidades - Princípio Básico e aplicação do Sistema TOF(Time of Flight)

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Esta série tem como objetivo fornecer aos leitores uma compreensão profunda e progressiva do sistema Time of Flight (TOF). O conteúdo cobre uma visão abrangente dos sistemas TOF, incluindo explicações detalhadas tanto do TOF indireto (iTOF) quanto do TOF direto (dTOF). Estas seções se aprofundam nos parâmetros do sistema, suas vantagens e desvantagens e vários algoritmos. O artigo também explora os diferentes componentes dos sistemas TOF, como Lasers Emissores de Superfície de Cavidade Vertical (VCSELs), lentes de transmissão e recepção, sensores de recepção como CIS, APD, SPAD, SiPM e circuitos de driver como ASICs.

Introdução ao TOF (Tempo de Voo)

Princípios Básicos

TOF, que significa Tempo de Voo, é um método usado para medir distâncias calculando o tempo que a luz leva para percorrer uma certa distância em um meio. Este princípio é aplicado principalmente em cenários TOF ópticos e é relativamente simples. O processo envolve uma fonte de luz que emite um feixe de luz, com o tempo de emissão registrado. Essa luz então reflete em um alvo, é capturada por um receptor e o tempo de recepção é anotado. A diferença nesses tempos, denotada como t, determina a distância (d = velocidade da luz (c) × t/2).

Tipos de sensores ToF

Existem dois tipos principais de sensores ToF: ópticos e eletromagnéticos. Os sensores ópticos ToF, que são mais comuns, utilizam pulsos de luz, normalmente na faixa infravermelha, para medição de distância. Esses pulsos são emitidos pelo sensor, refletem em um objeto e retornam ao sensor, onde o tempo de viagem é medido e usado para calcular a distância. Em contraste, os sensores eletromagnéticos ToF usam ondas eletromagnéticas, como radar ou lidar, para medir distâncias. Eles operam com um princípio semelhante, mas usam um meio diferente paramedição de distância.

Aplicações de sensores ToF

Os sensores ToF são versáteis e foram integrados em vários campos:

Robótica:Usado para detecção de obstáculos e navegação. Por exemplo, robôs como Roomba e Atlas da Boston Dynamics empregam câmeras de profundidade ToF para mapear seus arredores e planejar movimentos.

Sistemas de Segurança:Comum em sensores de movimento para detectar intrusos, disparar alarmes ou ativar sistemas de câmeras.

Indústria Automotiva:Incorporado em sistemas de assistência ao motorista para controle de cruzeiro adaptativo e prevenção de colisões, tornando-se cada vez mais predominante em novos modelos de veículos.

Campo Médico: Empregado em diagnósticos e imagens não invasivas, como tomografia de coerência óptica (OCT), produzindo imagens de tecidos de alta resolução.

Eletrônicos de consumo: Integrado em smartphones, tablets e laptops para recursos como reconhecimento facial, autenticação biométrica e reconhecimento de gestos.

Drones:Utilizado para navegação, prevenção de colisões e para lidar com questões de privacidade e aviação

Arquitetura do sistema TOF

Um sistema TOF típico consiste em vários componentes principais para alcançar a medição de distância conforme descrito:

· Transmissor (Tx):Isto inclui uma fonte de luz laser, principalmente umVCSEL, um circuito driver ASIC para acionar o laser e componentes ópticos para controle de feixe, como lentes de colimação ou elementos ópticos difrativos e filtros.
· Receptor (Rx):Consiste em lentes e filtros na extremidade receptora, sensores como CIS, SPAD ou SiPM, dependendo do sistema TOF, e um processador de sinal de imagem (ISP) para processar grandes quantidades de dados do chip receptor.
·Gerenciamento de energia:Gerenciando estávelo controle de corrente para VCSELs e de alta tensão para SPADs é crucial, exigindo gerenciamento robusto de energia.
· Camada de software:Isso inclui firmware, SDK, sistema operacional e camada de aplicativo.

A arquitetura demonstra como um feixe de laser, originado do VCSEL e modificado por componentes ópticos, viaja pelo espaço, reflete em um objeto e retorna ao receptor. O cálculo do lapso de tempo neste processo revela informações de distância ou profundidade. No entanto, esta arquitetura não cobre caminhos de ruído, como ruído induzido pela luz solar ou ruído de múltiplos caminhos provenientes de reflexões, que serão discutidos posteriormente nesta série.

Classificação de Sistemas TOF

Os sistemas TOF são categorizados principalmente por suas técnicas de medição de distância: TOF direto (dTOF) e TOF indireto (iTOF), cada um com hardware e abordagens algorítmicas distintas. A série inicialmente descreve seus princípios antes de se aprofundar em uma análise comparativa de suas vantagens, desafios e parâmetros do sistema.

Apesar do princípio aparentemente simples do TOF – emitir um pulso de luz e detectar seu retorno para calcular a distância – a complexidade reside em diferenciar a luz que retorna da luz ambiente. Isso é resolvido emitindo luz suficientemente brilhante para atingir uma alta relação sinal-ruído e selecionando comprimentos de onda apropriados para minimizar a interferência da luz ambiental. Outra abordagem é codificar a luz emitida para torná-la distinguível no retorno, semelhante aos sinais SOS com uma lanterna.

A série prossegue comparando dTOF e iTOF, discutindo detalhadamente suas diferenças, vantagens e desafios, e categoriza ainda mais os sistemas TOF com base na complexidade das informações que eles fornecem, variando de TOF 1D a TOF 3D.

dTOF

O TOF direto mede diretamente o tempo de voo do fóton. Seu componente principal, o Diodo de Avalanche de Fóton Único (SPAD), é sensível o suficiente para detectar fótons únicos. O dTOF emprega contagem de fótons únicos correlacionada com o tempo (TCSPC) para medir o tempo de chegada dos fótons, construindo um histograma para deduzir a distância mais provável com base na frequência mais alta de uma diferença de tempo específica.

iTOF

O TOF indireto calcula o tempo de voo com base na diferença de fase entre as formas de onda emitidas e recebidas, comumente usando ondas contínuas ou sinais de modulação de pulso. O iTOF pode usar arquiteturas de sensores de imagem padrão, medindo a intensidade da luz ao longo do tempo.

O iTOF é subdividido em modulação de onda contínua (CW-iTOF) e modulação de pulso (Pulsed-iTOF). CW-iTOF mede a mudança de fase entre ondas senoidais emitidas e recebidas, enquanto Pulsed-iTOF calcula a mudança de fase usando sinais de onda quadrada.

Leitura adicional:

Wikipédia. (nd). Hora do voo. Obtido dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Grupo de soluções de semicondutores da Sony. (nd). ToF (Tempo de Voo) | Tecnologia Comum de Sensores de Imagem. Obtido dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 de fevereiro). Introdução ao Microsoft Time Of Flight (ToF) – Plataforma Azure Depth. Obtido dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-profundidade-plataforma/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 de março). Sensores de tempo de voo (TOF): uma visão geral detalhada e aplicações. Obtido dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-profundidade-overview-and-applications

Da página da webhttps://mais rápido que a luz.net/TOFSystem_C1/

Autor: Chao Guang

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