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La tecnología directa de tiempo de vuelo (DTOF) es un enfoque innovador para medir con precisión el tiempo de vuelo de la luz, utilizando el método de conteo de fotones individuales correlacionados con el tiempo (TCSPC). Esta tecnología es parte integral de una variedad de aplicaciones, desde la detección de proximidad en la electrónica de consumo hasta los sistemas lidar avanzados en aplicaciones automotrices. En su núcleo, los sistemas DTOF consisten en varios componentes clave, cada uno jugando un papel crucial para garantizar mediciones de distancia precisas.
Los componentes centrales de los sistemas DTOF
Conductor láser y láser
El controlador láser, una parte fundamental del circuito transmisor, genera señales de pulso digital para controlar la emisión del láser a través de la conmutación MOSFET. Láser, particularmenteLáseres emisores de superficie de cavidad vertical(VCSEL), son favorecidos por su espectro estrecho, alta intensidad de energía, capacidades de modulación rápida y facilidad de integración. Dependiendo de la aplicación, las longitudes de onda de 850 nm o 940 nm se seleccionan para equilibrar entre los picos de absorción del espectro solar y la eficiencia cuántica del sensor.
Transmitir y recibir óptica
En el lado de transmisión, una lente óptica simple o una combinación de lentes de colimación y elementos ópticos difractivos (DOS) dirige el haz del láser a través del campo de visión deseado. La recepción de la óptica, dirigida a recolectar luz dentro del campo de visión objetivo, se beneficia de lentes con números F más bajos e iluminación relativa más alta, junto con filtros de banda estrecha para eliminar la interferencia de luz extraña.
Sensores de 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. Las spads se distinguen por su capacidad para responder a fotones individuales, desencadenando una fuerte corriente de avalancha con solo un fotón, lo que los hace ideales para mediciones de alta precisión. Sin embargo, su tamaño de píxel más grande 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 de cada pulso de fotón. Esta precisión es crucial para determinar la posición del objeto objetivo basado en el histograma de los pulsos registrados.
Explorando los parámetros de rendimiento DTOF
Rango de detección y precisión
El rango de detección de un sistema DTOF teóricamente se extiende hasta donde pueden viajar sus pulsos de luz y reflejarse en el sensor, identificado claramente por el ruido. Para la electrónica de consumo, el enfoque a menudo se encuentra 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 anguilas o Eels oláser de fibra.
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Rango inequívoco máximo
El rango 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 1MHz, el rango 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 los errores pueden surgir de varias incertidumbres en los componentes, incluido el controlador 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 estableciendo una línea de base para el tiempo y la distancia.
Resistencia al ruido y la interferencia
Los sistemas DTOF deben lidiar con el ruido de fondo, particularmente en entornos de luz fuertes. Las técnicas como el uso de múltiples píxeles SPAD con diferentes niveles de atenuación pueden ayudar a administrar este desafío. Además, la capacidad de DTOF para distinguir entre reflexiones directas y múltiples mejora su robustez contra la interferencia.
Resolución espacial y consumo de energía
Los avances en la tecnología del sensor SPAD, como la transición de la iluminación del frente (FSI) a los procesos de iluminación del lado trasero (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, rango y eficiencia energética lo convierten en un candidato prometedor para futuras aplicaciones en diversos campos. A medida que la tecnología de sensores y el diseño de circuitos electrónico continúan evolucionando, los sistemas DTOF están preparados para una adopción más amplia, lo que impulsa innovaciones en electrónica de consumo, seguridad automotriz y más allá.
- Desde la página web02.02 TOF 系统 第二章 DTOF 系统-超光 más rápido que la luz (más rápido-Than-Light.net)
- Por el autor: Chao Guang
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Tiempo de publicación: mar-07-2024