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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 Correlated 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 in ambito automotive. I sistemi dTOF sono costituiti da diversi componenti chiave, ognuno 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, parte fondamentale del circuito del trasmettitore, genera segnali a impulsi digitali per controllare l'emissione del laser tramite commutazione MOSFET. I laser, in particolareLaser a emissione superficiale a cavità verticale(VCSEL) sono preferiti per il loro spettro ristretto, l'elevata intensità energetica, la rapida capacità di modulazione e la facilità di integrazione. A seconda dell'applicazione, vengono selezionate lunghezze d'onda di 850 nm o 940 nm per bilanciare i picchi di assorbimento dello spettro solare e l'efficienza quantistica 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 ricevente, mirata a raccogliere la luce all'interno del campo visivo del bersaglio, beneficia di lenti con numeri F inferiori e maggiore illuminazione relativa, insieme a filtri a banda stretta per eliminare le interferenze luminose estranee.
Sensori SPAD e SiPM
I diodi a valanga a singolo fotone (SPAD) e i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) sono i sensori principali nei sistemi dTOF. Gli SPAD si distinguono per la loro capacità di rispondere a singoli fotoni, innescando una forte corrente a valanga con un solo fotone, rendendoli ideali per misurazioni ad alta precisione. Tuttavia, le loro dimensioni dei pixel maggiori rispetto ai tradizionali sensori CMOS limitano la risoluzione spaziale dei sistemi dTOF.
Convertitore tempo-digitale (TDC)
Il circuito TDC traduce i segnali analogici in segnali digitali rappresentati dal tempo, catturando l'istante preciso in cui viene registrato ogni impulso fotonico. Questa precisione è fondamentale per determinare la posizione dell'oggetto bersaglio in base all'istogramma degli impulsi registrati.
Esplorazione dei parametri di prestazione dTOF
Portata di rilevamento e precisione
Il raggio di rilevamento di un sistema dTOF si estende teoricamente fino a dove i suoi impulsi luminosi possono viaggiare ed essere riflessi verso il sensore, distinguendosi nettamente dal rumore. Per l'elettronica di consumo, il focus è spesso entro un raggio di 5 m, utilizzando VCSEL, mentre le applicazioni automobilistiche possono richiedere distanze 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 senza ambiguità può raggiungere i 150 m.
Precisione ed errore
La precisione nei sistemi dTOF è intrinsecamente limitata dalla durata dell'impulso laser, mentre gli errori possono derivare da diverse incertezze nei componenti, tra cui il driver del laser, la risposta del sensore SPAD e la precisione del circuito TDC. Strategie come l'utilizzo di uno SPAD di riferimento possono contribuire a mitigare questi errori stabilendo una base per la temporizzazione e la distanza.
Resistenza al rumore e alle interferenze
I sistemi dTOF devono fare i conti con il rumore di fondo, in particolare in ambienti con luce intensa. Tecniche come l'utilizzo di più pixel SPAD con diversi livelli di attenuazione possono aiutare a gestire questa sfida. Inoltre, la capacità del dTOF di distinguere tra riflessioni dirette e multipath ne aumenta la robustezza alle 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 dei sensori. 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 gli elevati ostacoli tecnici 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 settori. Con la continua evoluzione della tecnologia dei sensori e della progettazione dei circuiti elettronici, i sistemi dTOF sono destinati a una più ampia adozione, trainando l'innovazione nell'elettronica di consumo, nella sicurezza automobilistica e in altri ambiti.
- 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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Data di pubblicazione: 07-03-2024