Notícias - Princípio básico e aplicação do sistema TOF (Time of Flight)

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Esta série tem como objetivo proporcionar aos leitores uma compreensão aprofundada e progressiva do sistema de Tempo de Voo (TOF). O conteúdo abrange uma visão geral abrangente dos sistemas TOF, incluindo explicações detalhadas sobre TOF indireto (iTOF) e TOF direto (dTOF). Estas seções abordam os parâmetros do sistema, suas vantagens e desvantagens e diversos algoritmos. O artigo também explora os diferentes componentes dos sistemas TOF, como Lasers de Emissão 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, sigla para Tempo de Voo, é um método usado para medir distâncias calculando o tempo que a luz leva para percorrer uma determinada distância em um meio. Este princípio é aplicado principalmente em cenários de TOF óptico 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 registrado. A diferença nesses tempos, denotada por 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, mais comuns, utilizam pulsos de luz, normalmente na faixa do infravermelho, 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 utilizam ondas eletromagnéticas, como radar ou lidar, para medir distâncias. Eles operam com um princípio semelhante, mas utilizam 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 o Roomba e o Atlas, da Boston Dynamics, utilizam 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 comum em novos modelos de veículos.

Área Médica: Empregado em diagnósticos e imagens não invasivos, como tomografia de coerência óptica (OCT), produzindo imagens de tecidos de alta resolução.

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

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

Arquitetura do Sistema TOF

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

· Transmissor (Tx):Isso inclui uma fonte de luz laser, principalmente umaVCSEL, um circuito de driver ASIC para controlar o laser e componentes ópticos para controle do feixe, como lentes de colimação ou elementos ópticos difrativos e filtros.
· Receptor (Rx):Isso 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 estábuloO controle de corrente para VCSELs e alta tensão para SPADs é crucial, exigindo um gerenciamento de energia robusto.
· Camada de software:Isso inclui firmware, SDK, sistema operacional e camada de aplicação.

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 nesse processo revela informações de distância ou profundidade. No entanto, essa arquitetura não abrange trajetórias de ruído, como ruído induzido pela luz solar ou ruído multitrajeto 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 abordagens distintas de hardware e algoritmo. A série descreve inicialmente seus princípios antes de se aprofundar em uma análise comparativa de suas vantagens, desafios e parâmetros do sistema.

Apesar do princípio aparentemente simples da TOF – emitir um pulso de luz e detectar seu retorno para calcular a distância – a complexidade reside em diferenciar a luz de retorno 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 ambiente. Outra abordagem é codificar a luz emitida para torná-la distinguível no retorno, semelhante aos sinais de SOS com uma lanterna.

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

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 individuais. O dTOF utiliza a Contagem de Fótons Únicos Correlacionados no 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 determinada diferença de tempo.

iTOF

O TOF indireto calcula o tempo de voo com base na diferença de fase entre as formas de onda emitidas e recebidas, geralmente usando sinais de modulação de pulso ou onda contínua. 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). O CW-iTOF mede a mudança de fase entre ondas senoidais emitidas e recebidas, enquanto o Pulsed-iTOF calcula a mudança de fase usando sinais de onda quadrada.

Leitura adicional:

Wikipédia. (nd). Hora do voo. Recuperado dehttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Grupo de Soluções em Semicondutores da Sony. (nd). ToF (Tempo de Voo) | Tecnologia Comum de Sensores de Imagem. Recuperado dehttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 de fevereiro de 2021). Introdução ao Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Recuperado dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 de março). Sensores de Tempo de Voo (TOF): Uma Visão Geral Aprofundada e Aplicações. Recuperado dehttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications

Da página da webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/

pelo autor: Chao Guang

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