¿Cómo funcionan los sensores de tiempo de vuelo? Una mirada a la cámara PMDTechnologies ToF 3D

¿Cómo determinan las distancias los sensores de tiempo de vuelo? Aprenda más sobre las cámaras ToF usando una cámara 3D de ejemplo.

Existen tres tecnologías de imágenes en 3D líderes que compiten por el espacio en su teléfono celular y su automóvil. Esas tecnologías son las imágenes estereoscópicas, la proyección de luz estructurada y las cámaras de tiempo de vuelo (o ToF). Los datos que generan estos dispositivos pueden proporcionar detección de peatones, autenticar a los usuarios según las características faciales, detectar el movimiento de las manos y alimentar los algoritmos de SLAM (localización y mapeo simultáneos).

Dos de los jugadores más grandes en este espacio son ams e Infineon. Al momento de escribir, ams lleva uno de cada tipo de sensor e Infineon se enfoca solo en los sensores de tiempo de vuelo.

Este artículo describe la tecnología detrás de los sensores de tiempo de vuelo centrándose en un kit de desarrollo de cámara 3D "pico flexx" de pmdtechnologies. (Antes de preguntar, tanto "pico flexx" como "pmdtechnologies" se presentan en minúsculas en su sitio web).

El pico flexx se basa en el sensor de imagen 3D REAL3 desarrollado conjuntamente por Infineon y pmd.

Imagen 3D en color falso de una mano tomada de pmdtec.com el 29 de abril de 2019. Los colores se asignan a píxeles individuales según la distancia desde el sensor a la mano (el rojo está cerca, el azul está lejos)

Tenga en cuenta que pmd nos proporcionó un dispositivo para este artículo.

¿Qué es un sensor de tiempo de vuelo?

Los sensores de tiempo de vuelo miden el tiempo que tarda un objeto, a menudo una partícula, en recorrer una distancia a través de un medio. Por lo general, esta es la medida del tiempo transcurrido entre la emisión de una partícula, su reflejo en un objeto y su retorno al sensor ToF. Una cámara de tiempo de vuelo es un dispositivo que utiliza la medición de ToF para determinar las distancias entre la cámara y los objetos o entornos, creando imágenes generadas por puntos medidos individualmente.

Las aplicaciones de las cámaras ToF incluyen sistemas de imágenes LiDAR sin escáner basados ​​en láser, detección y seguimiento de movimiento, detección de objetos para visión artificial y conducción autónoma, mapeo topográfico y más.

¿Pero cómo se logran estas medidas?

A continuación, he representado tres formas de usar el tiempo de viaje para determinar la distancia.

Métodos de uso del tiempo de viaje para determinar distancias.

En la parte superior de la imagen, puede ver el primer método, que es enviar pulsos y medir el intervalo de tiempo hasta que regresen después de la reflexión.

La parte central de la imagen muestra el segundo método, en el que puede modular la amplitud de una fuente de luz y registrar el desplazamiento de fase de la onda reflejada.

La parte inferior de la imagen representa el tercer método, que transmite una onda cuadrada de ciclo de trabajo del 50% y registra la cantidad de luz devuelta que llega en un intervalo específico.

Precisión de nivel milimétrico para Cámaras

Las ondas de luz y de radio viajan a casi 300,000,000,000 mm / s, lo que se traduce en ~ 3.3 ps para que una onda viaje 1 mm (y otros 3.3 ps para regresar). Eso significa que, si desea un dispositivo que pueda obtener imágenes de todos los objetos en la sala en la que se encuentra y desea una resolución de ~ 1 mm, su electrónica de tiempo necesitaría una resolución de picosegundos. Eso se traduce en una velocidad de reloj de cientos de GHz.

No es fácil ni económico diseñar circuitos electrónicos que funcionen en esas frecuencias, por lo que los diseñadores tuvieron que encontrar una manera de trabajar en frecuencias más bajas si esperaban que los dispositivos fueran asequibles para el espacio del consumidor.

Existen dos métodos comunes para lograr una precisión de nivel milimétrico mientras se trabaja con frecuencias razonables de sub GHz:

• Relacionar el desplazamiento de fase de una onda modulada sinusoidalmente a la distancia
• Uso del desplazamiento de fase de una onda cuadrada de ciclo de trabajo del 50% y un voltaje diferencial para determinar la distancia

En las secciones a continuación, veremos estos dos métodos con mayor detalle.

Determinación de la distancia por cambio de fase de una onda modulada en amplitud

Digamos que está buscando trazar una oficina pequeña o una sala de estar grande con una dimensión máxima de 15 m. Para determinar una frecuencia de operación adecuada para esa longitud, use $$ c = lambda cdot f $$ donde c es la velocidad de la luz (c = 3×10⁸ m / s), λ es una longitud de onda (λ = 15 m), y ƒ es la frecuencia. En este ejemplo, ƒ = 20 MHz, que es una frecuencia relativamente fácil para trabajar.

Todo comienza cuando una luz brillante tiene su salida modulada con una señal sinusoidal de 20 MHz. La onda de luz eventualmente alcanzará un objeto o la pared y reflejará e invertirá direcciones. Una versión más tenue de la luz modulada original regresará al receptor. A menos que el objeto sea exactamente un múltiplo entero de 15 metros de distancia, la fase se desplazará en cierta cantidad.

El cambio de fase se puede utilizar para calcular la distancia que la onda recorrió.

Si puede medir con precisión el ángulo de la fase, puede determinar con precisión la distancia a la que el objeto reflectante está lejos del sensor / receptor.

Cómo medir el ángulo de fase de una sinusoide

Entonces, ¿cómo se mide rápidamente el ángulo de fase de una sinusoide? Eso implica medir la amplitud de la señal recibida en cuatro puntos igualmente espaciados (es decir, una separación de 90 ° o 1/4 λ).

$$ varphi = ArcTan left ( frac {A_1-A_3} {A_2-A_4} right) $$

He intentado ilustrar la relación entre las mediciones y el ángulo de fase a continuación. La relación de la diferencia entre A₁ y un₃ y la diferencia entre A₂ y un₄ es igual a la tangente del ángulo de fase. ArcTan es en realidad la función de arco tangente de dos argumentos que mapea los cuadrantes apropiados y define cuando A₂= A4 y A₁> A₃ o A₃> A₁ como 0 ° o 180 °, respectivamente.

Haga clic en el diagrama para ver una imagen más complicada que ilustra cómo las diferencias de las variables A₁, UNA₂, UNA₃y A₄ encajar en el círculo unitario.

En la ilustración de arriba, el extremo izquierdo del gráfico tiene dos rectas numéricas verticales que muestran el resultado de restar A₁ y un₃ (representado como amarillo oscuro) y A₂ y un₄ (representado en azul). Los valores medidos se muestran como líneas verticales en los gráficos sinusoides en el medio.

Tenga en cuenta que este gráfico no tiene en cuenta la reflexión (lo que efectivamente cambiaría todo 180 °).

Determinación de la frecuencia de operación para una distancia dada

De vuelta a nuestro ejemplo, la distancia al objetivo se determina con la ecuación:

$$ d = frac {c cdot varphi} {4 pi cdot f} $$

Donde c es la velocidad de la luz, phi (φ) es el ángulo de fase (en radianes) y ƒ es la frecuencia de modulación.

La medición del tiempo real de vuelo de un fotón requiere una electrónica de 333 GHz. Este método requiere un máximo de 4 veces la frecuencia de modulación, que en este caso es 4×20 MHz = 80 MHz. Esta es una reducción fenomenal en los recursos. Pero te alegrará saber que algunos ingenieros inteligentes encontraron una manera de reducir aún más la frecuencia máxima.

Determinación del cambio de fase a través de la medición del voltaje diferencial de los capacitores cargados

La siguiente situación de medición involucra una fuente de luz estroboscópica y un sensor de imágenes CMOS con dos condensadores por píxel.

Una fuente de reloj genera una onda cuadrada de ciclo de trabajo del 50% y esa onda cuadrada controla una fuente de luz de luz estroboscópica brillante, así como la conexión a los capacitores de almacenamiento de carga dentro de cada píxel.

Un ejemplo de tal sistema se representa en la imagen a continuación:

Imagen de “Un método de calibración rápida para un dispositivo mezclador fotónico LiDARS de estado sólido” Esto muestra un píxel CMOS con dos capacitores de almacenamiento de carga que están conectados alternativamente para registrar la luz entrante.

La luz abandona la fuente, se refleja en un objeto y golpea el píxel donde se registrará como una carga en el condensador C_UNA o C_segundo mostrado anteriormente. Los condensadores se conectan alternativamente al píxel a la misma frecuencia que la fuente de iluminación, utilizando la misma fuente de reloj.

Esta disposición inteligente significa que la carga diferencial en los condensadores se relaciona directamente con el desfase. Y la fase está determinada por la longitud de onda y la distancia al objetivo y la espalda.

Imagen de "Un método de calibración rápida para un dispositivo mezclador fotónico LiDARS de estado sólido"

El sujeto se puede iluminar durante tantos ciclos como sea necesario para llenar los condensadores. Mientras la distancia sea constante, las proporciones de carga permanecerán iguales

Sensores de tiempo de vuelo en acción

¿Qué tan bien funciona este método? Mejor de lo que cabría esperar.

El sensor provisto a AAC, combinado con el software que lo acompaña, tiene la capacidad de grabar hasta 45 fps. A tasas de actualización más bajas, el sistema puede crear fácilmente arrugas en una camisa.

La imagen de arriba representa la ubicación del vértice (x, y, z) de cada píxel capturado desde la cámara pico flexx de pmd.

Los datos de solo profundidad son difíciles de visualizar por sí mismos. Por lo tanto, la imagen de profundidad a menudo se combina con una fotografía, o se muestra con colores falsos para permitir una visualización más fácil de la escena.

Una superposición de profundidad de color falso de una imagen de baja resolución facilita la interpretación de la escena. Imagen del autor de goober capturada con el software Royal Viewer de pmd y el kit de desarrollo CamBoard pico flexx 3D.

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Los sensores de tiempo de vuelo se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, incluida la creación de un mapa 3D del entorno al combinar la física inteligente con la ingeniería.

¿Alguna vez has usado cámaras 3D en tu trabajo? ¿Qué puede decirnos sobre las limitaciones de diseño de usar los sensores de tiempo de vuelo? Comparte tus experiencias en los comentarios a continuación.