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La tecnologia Direct Time-of-Flight (dTOF) è un approccio innovativo per misurare con precisione il tempo di volo della luce, utilizzando il metodo Time Corlated Single Photon Counting (TCSPC). Questa tecnologia è parte integrante di una varietà di applicazioni, dal rilevamento di prossimità nell'elettronica di consumo ai sistemi LiDAR avanzati nelle applicazioni automobilistiche. Fondamentalmente, i sistemi dTOF sono costituiti da diversi componenti chiave, ciascuno dei quali svolge un ruolo cruciale nel garantire misurazioni accurate della distanza.
I componenti principali dei sistemi dTOF
Driver laser e laser
Il driver laser, una parte fondamentale del circuito del trasmettitore, genera segnali di impulsi digitali per controllare l'emissione del laser tramite la commutazione MOSFET. Laser, in particolareLaser a emissione superficiale con cavità verticale(VCSEL), sono favoriti per il loro spettro ristretto, l'elevata intensità energetica, le capacità di modulazione rapida e la facilità di integrazione. A seconda dell'applicazione, vengono selezionate lunghezze d'onda di 850 nm o 940 nm per bilanciare tra i picchi di assorbimento dello spettro solare e l'efficienza quantica del sensore.
Ottica di trasmissione e ricezione
Sul lato trasmittente, una semplice lente ottica o una combinazione di lenti collimatrici ed elementi ottici diffrattivi (DOE) dirige il raggio laser attraverso il campo visivo desiderato. L'ottica di ricezione, mirata a raccogliere la luce all'interno del campo visivo del bersaglio, beneficia di obiettivi con numeri F inferiori e illuminazione relativa più elevata, insieme a filtri a banda stretta per eliminare le interferenze luminose estranee.
Sensori SPAD e SiPM
I diodi a valanga a fotone singolo (SPAD) e i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) sono i sensori primari nei sistemi dTOF. Gli SPAD si distinguono per la loro capacità di rispondere a singoli fotoni, innescando una forte corrente di valanga con un solo fotone, rendendoli ideali per misurazioni ad alta precisione. Tuttavia, la dimensione dei pixel maggiore rispetto ai tradizionali sensori CMOS limita la risoluzione spaziale dei sistemi dTOF.
Convertitore tempo-digitale (TDC)
Il circuito TDC traduce i segnali analogici in segnali digitali rappresentati dal tempo, catturando il momento preciso in cui viene registrato ogni impulso fotonico. Questa precisione è fondamentale per determinare la posizione dell'oggetto target in base all'istogramma degli impulsi registrati.
Esplorazione dei parametri prestazionali dTOF
Campo di rilevamento e precisione
Il campo di rilevamento di un sistema dTOF si estende teoricamente fino a quando i suoi impulsi luminosi possono viaggiare ed essere riflessi al sensore, identificati distintamente dal rumore. Per l'elettronica di consumo, l'attenzione è spesso entro un raggio di 5 m, utilizzando VCSEL, mentre le applicazioni automobilistiche possono richiedere range di rilevamento di 100 m o più, richiedendo tecnologie diverse come EEL olaser a fibra.
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Portata massima non ambigua
La portata massima senza ambiguità dipende dall'intervallo tra gli impulsi emessi e dalla frequenza di modulazione del laser. Ad esempio, con una frequenza di modulazione di 1 MHz, la portata inequivocabile può arrivare fino a 150 m.
Precisione ed errore
La precisione nei sistemi dTOF è intrinsecamente limitata dall'ampiezza dell'impulso del laser, mentre gli errori possono derivare da varie incertezze nei componenti, tra cui il driver laser, la risposta del sensore SPAD e la precisione del circuito TDC. Strategie come l’utilizzo di uno SPAD di riferimento possono aiutare a mitigare questi errori stabilendo una linea di base per tempi e distanza.
Resistenza al rumore e alle interferenze
I sistemi dTOF devono fare i conti con il rumore di fondo, in particolare in ambienti con forte illuminazione. Tecniche come l'utilizzo di più pixel SPAD con diversi livelli di attenuazione possono aiutare a gestire questa sfida. Inoltre, la capacità di dTOF di distinguere tra riflessioni dirette e multipercorso ne migliora la robustezza contro le interferenze.
Risoluzione spaziale e consumo energetico
I progressi nella tecnologia dei sensori SPAD, come la transizione dai processi di illuminazione frontale (FSI) a quelli di illuminazione posteriore (BSI), hanno migliorato significativamente i tassi di assorbimento dei fotoni e l’efficienza del sensore. Questo progresso, combinato con la natura pulsata dei sistemi dTOF, si traduce in un consumo energetico inferiore rispetto ai sistemi a onda continua come iTOF.
Il futuro della tecnologia dTOF
Nonostante le elevate barriere tecniche e i costi associati alla tecnologia dTOF, i suoi vantaggi in termini di precisione, portata ed efficienza energetica la rendono un candidato promettente per future applicazioni in diversi campi. Poiché la tecnologia dei sensori e la progettazione dei circuiti elettronici continuano ad evolversi, i sistemi dTOF sono pronti per un'adozione più ampia, guidando innovazioni nell'elettronica di consumo, nella sicurezza automobilistica e oltre.
- Dalla pagina web02.02 TOF系统 第二章 dTOF系统 - 超光 Più veloce della luce (faster-than-light.net)
- dell'autore: Chao Guang
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Orario di pubblicazione: 07 marzo 2024