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La tecnología de tiempo de vuelo directo (dTOF) es un enfoque innovador para medir con precisión el tiempo de vuelo de la luz, utilizando el método de conteo de fotón único correlacionado en el tiempo (TCSPC). Esta tecnología es integral para una variedad de aplicaciones, desde detección de proximidad en electrónica de consumo hasta sistemas LiDAR avanzados en aplicaciones automotrices. En esencia, los sistemas dTOF constan de varios componentes clave, cada uno de los cuales desempeña un papel crucial para garantizar mediciones de distancia precisas.
Los componentes principales de los sistemas dTOF
Controlador láser y láser
El controlador láser, una parte fundamental del circuito transmisor, genera señales de pulso digitales para controlar la emisión del láser mediante conmutación MOSFET. Láseres, particularmenteLáseres emisores de superficie de cavidad vertical(VCSEL), se prefieren por su espectro estrecho, alta intensidad energética, capacidades de modulación rápida y facilidad de integración. Dependiendo de la aplicación, se seleccionan longitudes de onda de 850 nm o 940 nm para equilibrar los picos de absorción del espectro solar y la eficiencia cuántica del sensor.
Óptica transmisora y receptora
En el lado transmisor, una lente óptica simple o una combinación de lentes colimadoras y elementos ópticos difractivos (DOE) dirige el rayo láser a través del campo de visión deseado. La óptica receptora, destinada a captar luz dentro del campo de visión objetivo, se beneficia de lentes con números F más bajos y una iluminación relativa más alta, junto con filtros de banda estrecha para eliminar interferencias de luz extrañas.
Sensores SPAD y SiPM
Los diodos de avalancha de fotón único (SPAD) y los fotomultiplicadores de silicio (SiPM) son los sensores principales en los sistemas dTOF. Los SPAD se distinguen por su capacidad de responder a fotones individuales, desencadenando una fuerte corriente de avalancha con un solo fotón, lo que los hace ideales para mediciones de alta precisión. Sin embargo, su mayor tamaño de píxel en comparación con los sensores CMOS tradicionales limita la resolución espacial de los sistemas dTOF.
Convertidor de tiempo a digital (TDC)
El circuito TDC traduce señales analógicas en señales digitales representadas por el tiempo, capturando el momento preciso en el que se registra cada pulso de fotón. Esta precisión es crucial para determinar la posición del objeto objetivo basándose en el histograma de pulsos registrados.
Explorando los parámetros de rendimiento de dTOF
Rango de detección y precisión
En teoría, el rango de detección de un sistema dTOF se extiende hasta donde sus pulsos de luz pueden viajar y reflejarse de regreso al sensor, identificado claramente del ruido. Para la electrónica de consumo, el enfoque suele estar dentro de un rango de 5 m, utilizando VCSEL, mientras que las aplicaciones automotrices pueden requerir rangos de detección de 100 m o más, lo que requiere diferentes tecnologías como EEL oláseres de fibra.
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Rango máximo inequívoco
El alcance máximo sin ambigüedad depende del intervalo entre los pulsos emitidos y la frecuencia de modulación del láser. Por ejemplo, con una frecuencia de modulación de 1 MHz, el alcance inequívoco puede alcanzar hasta 150 m.
Precisión y error
La precisión en los sistemas dTOF está inherentemente limitada por el ancho del pulso del láser, mientras que pueden surgir errores debido a diversas incertidumbres en los componentes, incluido el controlador del láser, la respuesta del sensor SPAD y la precisión del circuito TDC. Estrategias como emplear un SPAD de referencia pueden ayudar a mitigar estos errores al establecer una línea de base para el tiempo y la distancia.
Resistencia al ruido y a las interferencias
Los sistemas dTOF deben lidiar con el ruido de fondo, particularmente en ambientes con mucha luz. Técnicas como el uso de múltiples píxeles SPAD con diferentes niveles de atenuación pueden ayudar a afrontar este desafío. Además, la capacidad de dTOF para distinguir entre reflexiones directas y de trayectorias múltiples mejora su robustez contra las interferencias.
Resolución espacial y consumo de energía
Los avances en la tecnología de sensores SPAD, como la transición de los procesos de iluminación frontal (FSI) a iluminación posterior (BSI), han mejorado significativamente las tasas de absorción de fotones y la eficiencia del sensor. Este progreso, combinado con la naturaleza pulsada de los sistemas dTOF, da como resultado un menor consumo de energía en comparación con los sistemas de onda continua como iTOF.
El futuro de la tecnología dTOF
A pesar de las altas barreras técnicas y los costos asociados con la tecnología dTOF, sus ventajas en precisión, alcance y eficiencia energética la convierten en un candidato prometedor para futuras aplicaciones en diversos campos. A medida que la tecnología de sensores y el diseño de circuitos electrónicos continúan evolucionando, los sistemas dTOF están preparados para una adopción más amplia, impulsando innovaciones en electrónica de consumo, seguridad automotriz y más.
- Desde la pagina web02.02 TOF系统 第二章 dTOF系统 - 超光 Más rápido que la luz (más rápido que la luz.net)
- por el autor: Chao Guang
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Hora de publicación: 07-mar-2024