Novità - Principio base e applicazione del sistema TOF (Time of Flight).

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Questa serie mira a fornire ai lettori una comprensione approfondita e progressiva del sistema Time of Flight (TOF). Il contenuto copre una panoramica completa dei sistemi TOF, comprese spiegazioni dettagliate sia del TOF indiretto (iTOF) che del TOF diretto (dTOF). Queste sezioni approfondiscono i parametri di sistema, i loro vantaggi e svantaggi e vari algoritmi. L'articolo esplora anche i diversi componenti dei sistemi TOF, come i laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL), lenti di trasmissione e ricezione, sensori di ricezione come CIS, APD, SPAD, SiPM e circuiti driver come gli ASIC.

Introduzione al TOF (Tempo di volo)

Principi di base

TOF, che sta per Time of Flight, è un metodo utilizzato per misurare la distanza calcolando il tempo impiegato dalla luce per percorrere una certa distanza in un mezzo. Questo principio viene applicato principalmente negli scenari TOF ottici ed è relativamente semplice. Il processo prevede che una sorgente luminosa emetta un fascio di luce, con il tempo di emissione registrato. Questa luce viene quindi riflessa da un bersaglio, viene catturata da un ricevitore e viene annotato l'orario di ricezione. La differenza tra questi tempi, indicata come t, determina la distanza (d = velocità della luce (c) × t / 2).

Tipi di sensori ToF

Esistono due tipi principali di sensori ToF: ottici ed elettromagnetici. I sensori ottici ToF, che sono più comuni, utilizzano impulsi luminosi, tipicamente nella gamma degli infrarossi, per la misurazione della distanza. Questi impulsi vengono emessi dal sensore, si riflettono su un oggetto e ritornano al sensore, dove il tempo di percorrenza viene misurato e utilizzato per calcolare la distanza. Al contrario, i sensori ToF elettromagnetici utilizzano onde elettromagnetiche, come radar o lidar, per misurare la distanza. Funzionano secondo un principio simile ma utilizzano un mezzo diversomisurazione della distanza.

Applicazioni dei sensori ToF

I sensori ToF sono versatili e sono stati integrati in vari campi:

Robotica:Utilizzato per il rilevamento degli ostacoli e la navigazione. Ad esempio, robot come Roomba e Atlas di Boston Dynamics utilizzano telecamere di profondità ToF per mappare l'ambiente circostante e pianificare i movimenti.

Sistemi di sicurezza:Comune nei sensori di movimento per rilevare intrusi, attivare allarmi o attivare sistemi di telecamere.

Industria automobilistica:Incorporato nei sistemi di assistenza alla guida per il controllo della velocità adattivo e la prevenzione delle collisioni, diventando sempre più diffuso nei nuovi modelli di veicoli.

Campo medico: Impiegato nell'imaging e nella diagnostica non invasiva, come la tomografia a coerenza ottica (OCT), producendo immagini di tessuti ad alta risoluzione.

Elettronica di consumo: Integrato in smartphone, tablet e laptop per funzionalità come il riconoscimento facciale, l'autenticazione biometrica e il riconoscimento dei gesti.

Droni:Utilizzato per la navigazione, per evitare collisioni e per affrontare i problemi di privacy e aviazione

Architettura del sistema TOF

Un tipico sistema TOF è costituito da diversi componenti chiave per ottenere la misurazione della distanza come descritto:

· Trasmettitore (Tx):Ciò include una sorgente di luce laser, principalmente aVCSEL, un circuito driver ASIC per pilotare il laser e componenti ottici per il controllo del raggio come lenti di collimazione o elementi ottici diffrattivi e filtri.
· Ricevitore (Rx):Questo è costituito da lenti e filtri all'estremità ricevente, sensori come CIS, SPAD o SiPM a seconda del sistema TOF e un processore di segnali di immagine (ISP) per l'elaborazione di grandi quantità di dati dal chip del ricevitore.
·Gestione energetica:Gestione stabileil controllo della corrente per i VCSEL e dell'alta tensione per gli SPAD è fondamentale e richiede una solida gestione dell'energia.
· Livello software:Ciò include firmware, SDK, sistema operativo e livello di applicazione.

L'architettura dimostra come un raggio laser, proveniente dal VCSEL e modificato da componenti ottici, viaggia attraverso lo spazio, si riflette su un oggetto e ritorna al ricevitore. Il calcolo del lasso di tempo in questo processo rivela informazioni sulla distanza o sulla profondità. Tuttavia, questa architettura non copre i percorsi del rumore, come il rumore indotto dalla luce solare o il rumore multipercorso derivante dalle riflessioni, che verranno discussi più avanti nella serie.

Classificazione dei sistemi TOF

I sistemi TOF sono principalmente classificati in base alle tecniche di misurazione della distanza: TOF diretto (dTOF) e TOF indiretto (iTOF), ciascuno con approcci hardware e algoritmici distinti. La serie ne delinea inizialmente i principi prima di approfondire un'analisi comparativa dei vantaggi, delle sfide e dei parametri del sistema.

Nonostante il principio apparentemente semplice del TOF – emettere un impulso luminoso e rilevarne il ritorno per calcolare la distanza – la complessità sta nel differenziare la luce di ritorno dalla luce ambientale. Questo problema viene risolto emettendo una luce sufficientemente intensa da ottenere un elevato rapporto segnale-rumore e selezionando lunghezze d'onda appropriate per ridurre al minimo l'interferenza della luce ambientale. Un altro approccio consiste nel codificare la luce emessa per renderla distinguibile al ritorno, in modo simile ai segnali SOS con una torcia elettrica.

La serie procede confrontando dTOF e iTOF, discutendone in dettaglio differenze, vantaggi e sfide e classificando ulteriormente i sistemi TOF in base alla complessità delle informazioni che forniscono, che vanno dal TOF 1D al TOF 3D.

dTOF

Il TOF diretto misura direttamente il tempo di volo del fotone. Il suo componente chiave, il Single Photon Avalanche Diode (SPAD), è abbastanza sensibile da rilevare singoli fotoni. dTOF utilizza il Time Corlated Single Photon Counting (TCSPC) per misurare il tempo di arrivo dei fotoni, costruendo un istogramma per dedurre la distanza più probabile in base alla frequenza più alta di una particolare differenza oraria.

iTOF

Il TOF indiretto calcola il tempo di volo in base alla differenza di fase tra le forme d'onda emesse e ricevute, comunemente utilizzando segnali di modulazione di onde o impulsi continui. iTOF può utilizzare architetture di sensori di immagine standard, misurando l'intensità della luce nel tempo.

iTOF è ulteriormente suddiviso in modulazione ad onda continua (CW-iTOF) e modulazione a impulsi (Pulsed-iTOF). CW-iTOF misura lo sfasamento tra le onde sinusoidali emesse e ricevute, mentre Pulsed-iTOF calcola lo sfasamento utilizzando segnali ad onda quadra.

Ulteriori letture:

Wikipedia. (nd). Orario del volo. Estratto dahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
Gruppo di soluzioni per semiconduttori Sony. (nd). ToF (Tempo di volo) | Tecnologia comune dei sensori di immagine. Estratto dahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
Microsoft. (2021, 4 febbraio). Introduzione a Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Estratto dahttps://devblogs.microsoft.com/azure- Depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
ESCATEC. (2023, 2 marzo). Sensori del tempo di volo (TOF): una panoramica approfondita e applicazioni. Estratto dahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-approfondimento-overview-and-applications

Dalla pagina webhttps://più veloce della luce.net/TOFSystem_C1/

dall'autore: Chao Guang

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