Cómo funcionan los sensores ToF, estas cámaras que ven en 3D gracias a la velocidad de la luz

Después de los módulos de cámara que graban fotos y video, es el turno de los sensores de tiempo de vuelo (ToF) para invadir el mundo. Desde teléfonos inteligentes hasta automóviles, su capacidad para medir la distancia a los objetos podría volverse esencial.

Tal como está definido, el supersensor de 64 megapíxeles del nuevo Galaxy S20+ tiene un límite: ve el mundo en 2D. Este sensor de imagen CMOS no tiene idea de la distancia de los objetos ya que solo sabe evaluar la cantidad de luz y su color. Si consigue simular bonitos fondos borrosos es gracias al apoyo de un módulo complementario que se sitúa entre los diferentes módulos de cámara “normales”.

Dotado también de una óptica, este módulo integra un sensor construido por el proceso CMOS, pero cuyo funcionamiento y misiones son muy diferentes. Este componente se denomina “sensor de tiempo de vuelo” o sensor ToF en inglés (por Time of Flight ). Un sensor al que no le importa si un objeto es azul o rojo o incluso la luz ambiental. Sólo le interesa una cosa: la medida de la distancia.

El sensor ToF, un componente “activo”

"  Un sensor de imagen clásico se comporta como la retina de un ojo, es pasivo  ", explica Radu Horeau, director de investigación de INRIA en Grenoble. “  Por el contrario, un sensor ToF es un componente activo ya que no mide la luz ambiental, sino una especie de 'eco' de la luz que emite. »

De hecho, el dispositivo completo se compone de dos elementos: el propio sensor de tiempo de vuelo y un sistema de iluminación de la escena. Dos componentes trabajando juntos.

"  Es la medida del tiempo que tarda la luz en volver al sensor lo que permite determinar su distancia de los objetos  ", continúa el investigador.

Dependiendo de los usos, formatos y limitaciones, se pueden usar diferentes tipos de fuentes de luz (infrarrojo (IR), láser o luz visible), pero el principio sigue siendo el mismo para todos los sensores ToF. Según sus dimensiones, estos sensores tienen una distancia de funcionamiento más o menos amplia, pero por lo general los que se utilizan en los smartphones funcionan desde unos pocos centímetros hasta 3 o 4m del terminal.

Hasta el nanosegundo

Tenemos que hablar de la velocidad a la que funcionan estos sensores. Una velocidad fabulosa ya que miden la trayectoria del objeto (onda y/o partícula, ¡elige tu lado!) más rápido del universo: la luz.

"  Como conocemos muy bien la velocidad de la luz (nota: 299.792.458 metros por segundo) basta dividir el tiempo por dos la medida del tiempo para obtener la distancia recorrida  ", explica Radu Horeau.

Finalmente, es suficiente, se dice rápidamente. En la práctica, los sensores que se usan en los teléfonos inteligentes funcionan con luz modulada y requieren un poco más de cálculo que simplemente dividir el tiempo por dos. ¡Pero tienes la idea!

Para un objeto colocado a 5 m del sensor, la luz solo tarda 0,000000033 segundos en ir y venir. Sí, solo 33 nanosegundos separan la emisión de luz y su recepción por parte del sensor ToF.

En comparación con los sensores de imagen tradicionales, el sensor ToF, por un lado, carece de una matriz de color, lo que lo hace mucho más sensible a la luz. Por otro lado, su definición es mucho menor que la de los sensores de los smartphones convencionales. Cuando los dedicados a la fotografía oscilan entre los 8 Mpix y los 108 Mpix ( Xiaomi Mi Note 10 ), los sensores ToF del Huawei P30 Pro y otros Samsung Galaxy S20+ oscilan entre los 240 x 180 píxeles y los 320 x 240 píxeles. ¡Es decir, definiciones entre 0,04 Mpix y 0,08 Mpix! No lo suficiente para dibujar un buen retrato, que puede tener interés en términos de privacidad, pero lo suficiente para modelar rápidamente los objetos que tienes delante.

Además de los módulos ToF de los smartphones que usan luz LED modulada (que calculan una diferencia de fase de la luz), también hay sensores ToF en ciertos LiDAR como el del iPad Pro 2020. Un LiDAR que usa una rejilla de láseres para medir, además del tiempo de viaje de la luz, la deformación de su cuadrícula de puntos para modelar los objetos.

Menos definición = más luz por píxel

La principal razón de esta menor definición es que cada píxel (o grupo de píxeles, como veremos) es 100% independiente de los demás. La información no se lee globalmente (CCD) ni línea a línea (CMOS), sino píxel a píxel. Por lo tanto, cada uno de los fotodiodos debe leerse de forma independiente, lo que requiere muchos más circuitos, más complejidad. Y por lo tanto menos espacio para píxeles en un espacio limitado.

A esto hay que añadir que los fotodiodos de cada píxel deben tener un tamaño mínimo para recoger eficazmente la luz.

“  Dado que debe ser muy rápido, el sensor ToF debe tener píxeles grandes para capturar mejor la luz. Tienes que comparar eso con una botella y una jarra de capacidades comparables: la mayor apertura de la jarra significa que se llena mucho más rápido que la botella  ”, describe Radu Horeau.

Desde el punto de vista de la fabricación, el director de investigación de INRIA señala que “ los sensores ToF a menudo se basan en sensores CMOS (imagen, nota del editor) que ya existen. Pero como la radiación infrarroja (emitida por el iluminador, nota del editor) es menos potente que la luz natural, los fabricantes agrupan los píxeles en grupos de varias decenas para aumentar la sensibilidad  ” del supergrupo de píxeles.

Están llegando al mercado nuevos sensores ToF mejor definidos y no hay duda de que las definiciones seguirán mejorando. Una mejora que ha comenzado a acelerarse notablemente gracias a un antiguo accesorio de videojuegos que le debemos a Microsoft: el Kinect 2.

El ToF popularizado por el Kinect 2

La primera versión de Kinect lanzada en la época de Xbox 360 se basaba en un sistema de luz estructurada. Por otro lado, el Kinect 2 incorpora un sensor ToF. Si los jugadores terminaron alejándose del dispositivo (la producción se detuvo en 2017), el accesorio tuvo el efecto de una bomba en la comunidad de investigación. Numerosos artículos científicos han analizado las diferencias entre los dos modelos, diseccionado los métodos utilizados por los ingenieros de Microsoft para enfrentar ciertos desafíos técnicos, etc.

Al igual que la Nintendo Wii que, en su momento, abarató el precio de los giroscopios y acelerómetros, la Kinect 2 puso en manos de los científicos un sensor ToF con una definición bastante honorable -512 x 424 píxeles, es decir, una definición de 0,22 Mpix- cuando se trata de una ciencia científica. los sensores eran prohibitivamente caros. Y el precio es una de las principales razones del éxito de esta tecnología.

Inmediatez, tamaño, precio y seguridad(es)

Entre los 35 millones de Kinect vendidos por Microsoft, alrededor de diez millones de unidades son Kinect One/PC. Esta industrialización sin precedentes en la historia de esta tecnología permite integrar hoy lo que hasta ahora eran componentes científicos de última generación en los smartphones (por cierto high-end por el momento).

Este precio es la ventaja clave de la integración de componentes, pero a esto se deben agregar otros argumentos importantes. Il y a la petite taille des composants dans un second temps, une miniaturisation qui a elle été rendue possible par l'explosion de la demande et de la R&D dans le domaine des capteurs d'images — dont les ToF découlent du point de vue de la producción.

Luego está también la velocidad y precisión de estos sensores, que permiten prever muchos usos, en particular en términos de realidad aumentada (AR) o seguridad.

Seguridad que es el último argumento de estos sensores. A diferencia de ciertas tecnologías como los láseres, cuyo despliegue en los dispositivos de consumo es muy limitado debido a la potencia de la radiación, los ToF indirectos que utilizan los smartphones se componen de radiación IR creada por simples LED y, por tanto, inofensivos.  

De los teléfonos inteligentes a los automóviles

El futuro de ToF no se detendrá con los teléfonos inteligentes. Ya está presente en muchos dispositivos, como los drones, y se desarrollará en todos los segmentos de la industria tecnológica, desde auriculares VR hasta pantallas, desde robots hasta edificios e incluso automóviles. Por un lado por sus funciones primarias de medición de distancia -y de paso velocidad- y soporte para módulos de cámara.

Pero también, por otro lado, como recolectores de datos espaciales.

"  Los sensores ToF son económicos y su desarrollo permitirá recopilar una gran cantidad de datos 'baratos' para alimentar el aprendizaje automático en muchos sectores  ", señala Radu Horeau.

Descúbrelo también en vídeo

)

Esta explosión de usos y por tanto de demanda, los gigantes de la electrónica como Sony lo han entendido. El año pasado, el gigante japonés anunció su ambición de convertirse en el número uno mundial del sector. Así que no has terminado de oír hablar de estos sensores que funcionan a la velocidad de la luz.

Si quieres conocer otros artículos parecidos a Cómo funcionan los sensores ToF, estas cámaras que ven en 3D gracias a la velocidad de la luz puedes visitar la categoría Tecnología.