Notícias - Princípio básico e aplicação do sistema TOF (Tempo de Voo)

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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 completa dos sistemas TOF, incluindo explicações detalhadas tanto do TOF indireto (iTOF) quanto do TOF direto (dTOF). Essas seções exploram os parâmetros do sistema, suas vantagens e desvantagens, e vários 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 acionamento como ASICs.

Introdução ao TOF (Tempo de Voo)

Princípios básicos

TOF, abreviação de 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. Esse princípio é aplicado principalmente em cenários ópticos de TOF 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 captada por um receptor e o tempo de recepção é anotado. A diferença entre esses 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 ToF ópticos, mais comuns, utilizam pulsos de luz, geralmente na faixa do infravermelho, para medir a distância. Esses pulsos são emitidos pelo sensor, refletem em um objeto e retornam ao sensor, onde o tempo de percurso é medido e usado para calcular a distância. Em contraste, os sensores ToF eletromagnéticos usam ondas eletromagnéticas, como radar ou lidar, para medir a distância. Eles operam com um princípio semelhante, mas utilizam um meio diferente para a medição.medição de distância.

Aplicações dos sensores ToF

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

Robótica:Utilizado para detecção de obstáculos e navegação. Por exemplo, robôs como o Roomba e o 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, acionar alarmes ou ativar sistemas de câmeras.

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

Área médicaUtilizada em exames de imagem e diagnósticos não invasivos, como a tomografia de coerência óptica (OCT), produzindo imagens de tecido de alta resolução.

Eletrônicos de consumoIntegrado 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 abordar questões de privacidade e aviação.

Arquitetura do sistema TOF

Um sistema TOF típico consiste em vários componentes-chave para realizar a medição de distância conforme descrito:

· Transmissor (Tx):Isso inclui uma fonte de luz laser, principalmente umaVCSEL, um circuito ASIC de acionamento para controlar o laser e componentes ópticos para controle do feixe, como lentes colimadoras ou elementos ópticos difrativos, e filtros.
· Receptor (Rx):Este sistema 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 provenientes do chip receptor.
·Gestão de energia:Gerenciando a estabilidadeO controle de corrente para VCSELs e de 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 intervalo de tempo nesse processo revela informações de distância ou profundidade. No entanto, essa arquitetura não abrange caminhos de ruído, como ruído induzido pela luz solar ou ruído de múltiplos caminhos proveniente 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. Esta série descreve inicialmente seus princípios antes de aprofundar-se em uma análise comparativa de suas vantagens, desafios e parâmetros de 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 refletida da luz ambiente. Isso é resolvido emitindo luz suficientemente brilhante para alcançar 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 ao retornar, semelhante aos sinais SOS de uma lanterna.

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

dTOF

O dTOF 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 emprega 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 onda contínua ou modulação por pulsos. O iTOF pode usar arquiteturas de sensores de imagem padrão, medindo a intensidade da luz ao longo do tempo.

O iTOF é ainda subdividido em modulação de onda contínua (CW-iTOF) e modulação de pulso (Pulsed-iTOF). O CW-iTOF mede a defasagem entre as ondas sinusoidais emitidas e recebidas, enquanto o Pulsed-iTOF calcula a defasagem usando sinais de onda quadrada.

Leitura complementar:

Wikipédia. (s.d.). Tempo de voo. Obtido emhttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Grupo de Soluções de Semicondutores da Sony. (s.d.). ToF (Tempo de Voo) | Tecnologia Comum de Sensores de Imagem. Obtido emhttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (4 de fevereiro de 2021). Introdução ao Microsoft Time Of Flight (ToF) - Plataforma Azure Depth. Recuperado dehttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2 de março de 2023). Sensores de Tempo de Voo (TOF): Uma Visão Geral Detalhada 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/

Por Chao Guang, autor do livro.

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