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Questa serie si propone di fornire ai lettori una comprensione approfondita e progressiva del sistema Time of Flight (TOF). Il contenuto offre una panoramica completa dei sistemi TOF, incluse spiegazioni dettagliate sia del TOF indiretto (iTOF) che del TOF diretto (dTOF). Queste sezioni approfondiscono i parametri del sistema, i loro vantaggi e svantaggi e i vari algoritmi. L'articolo esplora anche i diversi componenti dei sistemi TOF, come i laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL), le lenti di trasmissione e ricezione, i sensori di ricezione come CIS, APD, SPAD, SiPM e i circuiti di pilotaggio come gli ASIC.
Introduzione al TOF (tempo di volo)
Principi di base
TOF, acronimo di 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 in scenari TOF ottici ed è relativamente semplice. Il processo prevede che una sorgente luminosa emetta un fascio di luce, di cui viene registrato l'istante di emissione. Questa luce viene quindi riflessa da un bersaglio, catturata da un ricevitore e viene registrato l'istante di ricezione. La differenza tra questi tempi, indicata con 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 ToF ottici, i più comuni, utilizzano impulsi luminosi, tipicamente nell'infrarosso, per la misurazione della distanza. Questi impulsi vengono emessi dal sensore, riflessi da 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 quelle radar o lidar, per misurare la distanza. Funzionano secondo un principio simile, ma utilizzano un mezzo diverso per la misurazione.misurazione della distanza.
Applicazioni dei sensori ToF
I sensori ToF sono versatili e sono stati integrati in vari campi:
Robotica:Utilizzate per il rilevamento degli ostacoli e la navigazione. Ad esempio, robot come Roomba e Atlas di Boston Dynamics impiegano telecamere di profondità ToF per mappare l'ambiente circostante e pianificare i movimenti.
Sistemi di sicurezza:Comunemente utilizzati nei sensori di movimento per rilevare intrusi, attivare allarmi o sistemi di telecamere.
Industria automobilistica:Incorporato nei sistemi di assistenza alla guida per il controllo adattivo della velocità di crociera e la prevenzione delle collisioni, sta diventando sempre più diffuso nei nuovi modelli di veicoli.
Campo medico: Utilizzato in diagnostica e imaging non invasivo, come la tomografia a coerenza ottica (OCT), producendo immagini tissutali ad alta risoluzione.
Elettronica di consumo: Integrato in smartphone, tablet e laptop per funzionalità quali riconoscimento facciale, autenticazione biometrica e riconoscimento dei gesti.
Droni:Utilizzato per la navigazione, la prevenzione delle collisioni e per affrontare le problematiche relative alla privacy e all'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 unaVCSEL, un circuito driver ASIC per pilotare il laser e componenti ottici per il controllo del raggio, come lenti collimatrici o elementi ottici diffrattivi e filtri.
· Ricevitore (Rx):Si compone di lenti e filtri all'estremità ricevente, sensori come CIS, SPAD o SiPM a seconda del sistema TOF e un processore di segnale d'immagine (ISP) per l'elaborazione di grandi quantità di dati dal chip ricevente.
·Gestione energetica:Gestione stabileil controllo della corrente per i VCSEL e dell'alta tensione per gli SPAD è fondamentale e richiede una gestione dell'alimentazione robusta.
· Livello software:Ciò include firmware, SDK, sistema operativo e livello applicativo.
L'architettura dimostra come un raggio laser, originato dal VCSEL e modificato da componenti ottici, viaggi nello spazio, si rifletta su un oggetto e ritorni al ricevitore. Il calcolo del time-lapse in questo processo fornisce informazioni sulla distanza o sulla profondità. Tuttavia, questa architettura non considera i percorsi del rumore, come il rumore indotto dalla luce solare o il rumore multi-path dovuto alle riflessioni, che saranno trattati più avanti nella serie.
Classificazione dei sistemi TOF
I sistemi TOF sono classificati principalmente 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 addentrarsi in un'analisi comparativa dei vantaggi, delle sfide e dei parametri di sistema.
Nonostante il principio apparentemente semplice del TOF – emettere un impulso luminoso e rilevarne il ritorno per calcolare la distanza – la complessità risiede nel distinguere la luce di ritorno dalla luce ambientale. Questo problema viene risolto emettendo una luce sufficientemente intensa da raggiungere 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 di SOS emessi da una torcia elettrica.
La serie procede confrontando dTOF e iTOF, discutendone in dettaglio le differenze, i vantaggi e le sfide, e categorizza ulteriormente i sistemi TOF in base alla complessità delle informazioni che forniscono, spaziando da 1D TOF a 3D TOF.
dTOF
Il TOF diretto misura direttamente il tempo di volo del fotone. Il suo componente chiave, il diodo a valanga a fotone singolo (SPAD), è sufficientemente sensibile da rilevare singoli fotoni. Il dTOF utilizza il conteggio di singoli fotoni correlato al tempo (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 temporale.
iTOF
La TOF indiretta calcola il tempo di volo in base alla differenza di fase tra le forme d'onda emesse e ricevute, utilizzando comunemente segnali a modulazione continua o a impulsi. L'iTOF può utilizzare architetture di sensori di immagine standard, misurando l'intensità luminosa nel tempo.
L'iTOF è ulteriormente suddiviso in modulazione a onda continua (CW-iTOF) e modulazione a impulsi (Pulsed-iTOF). La CW-iTOF misura lo sfasamento tra le onde sinusoidali emesse e ricevute, mentre la Pulsed-iTOF calcola lo sfasamento utilizzando segnali a onda quadra.
Ulteriori letture:
- Wikipedia. (nd). Tempo di volo. Estratto dahttps://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight
- Sony Semiconductor Solutions Group. (nd). ToF (Time of Flight) | Tecnologia comune dei sensori di immagine. Tratto dahttps://www.sony-semicon.com/en/technologies/tof
- Microsoft. (4 febbraio 2021). Introduzione a Microsoft Time Of Flight (ToF) - Azure Depth Platform. Tratto dahttps://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/intro-to-microsoft-time-of-flight-tof
- ESCATEC. (2 marzo 2023). Sensori del tempo di volo (TOF): una panoramica approfondita e applicazioni. Tratto dahttps://www.escatec.com/news/time-of-flight-tof-sensors-an-in-depth-overview-and-applications
Dalla pagina webhttps://faster-than-light.net/TOFSystem_C1/
dell'autore: Chao Guang
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Data di pubblicazione: 18-12-2023