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La tecnología de Tiempo de Vuelo Directo (dTOF) es un método innovador para medir con precisión el tiempo de vuelo de la luz, utilizando el método de Conteo de Fotones Individuales Correlacionados en el Tiempo (TCSPC). Esta tecnología es fundamental para diversas aplicaciones, desde la detección de proximidad en electrónica de consumo hasta sistemas LiDAR avanzados en la industria automotriz. En esencia, los sistemas dTOF constan de varios componentes clave, cada uno con una función crucial para garantizar mediciones de distancia precisas.
Componentes principales de los sistemas dTOF
Controlador láser y láser
El controlador láser, una parte fundamental del circuito transmisor, genera señales de pulsos digitales para controlar la emisión del láser mediante la conmutación MOSFET. Los láseres, en particularLáseres de emisión superficial de cavidad verticalLos VCSEL se prefieren por su espectro estrecho, alta intensidad energética, rápida modulación y facilidad de integración. Según la aplicación, se seleccionan longitudes de onda de 850 nm o 940 nm para lograr un equilibrio entre los picos de absorción del espectro solar y la eficiencia cuántica del sensor.
Óptica de transmisión y recepción
En el lado de transmisión, una lente óptica simple o una combinación de lentes colimadoras y elementos ópticos difractivos (DOE) dirige el haz láser a través del campo de visión deseado. La óptica de recepción, diseñada para captar la luz dentro del campo de visión objetivo, utiliza lentes con números F bajos y mayor iluminación relativa, además de filtros de banda estrecha para eliminar la interferencia de luz externa.
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, generando 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 las señales analógicas en señales digitales representadas por el tiempo, capturando el momento preciso en que se registra cada pulso de fotones. Esta precisión es crucial para determinar la posición del objeto objetivo a partir del histograma de pulsos registrados.
Exploración de los parámetros de rendimiento de dTOF
Rango y precisión de detección
El rango de detección de un sistema dTOF se extiende teóricamente hasta donde sus pulsos de luz pueden viajar y reflejarse de vuelta al sensor, identificándose claramente del ruido. En 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 exige tecnologías diferentes como EEL oláseres de fibra.
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Rango máximo no ambiguo
El alcance máximo sin ambigüedad depende del intervalo entre los pulsos emitidos y de la frecuencia de modulación del láser. Por ejemplo, con una frecuencia de modulación de 1 MHz, el alcance sin ambigüedad puede llegar hasta los 150 m.
Precisión y error
La precisión en los sistemas dTOF está inherentemente limitada por el ancho de pulso del láser, mientras que los errores pueden surgir de diversas incertidumbres en los componentes, incluyendo el controlador del láser, la respuesta del sensor SPAD y la precisión del circuito TDC. Estrategias como el uso de un SPAD de referencia pueden ayudar a mitigar estos errores al establecer una base de referencia para la temporización y la distancia.
Resistencia al ruido y a las interferencias
Los sistemas dTOF deben lidiar con el ruido de fondo, especialmente en entornos con mucha luz. Técnicas como el uso de múltiples píxeles SPAD con distintos niveles de atenuación ayudan a mitigar este problema. Además, la capacidad del dTOF para distinguir entre reflexiones directas y multitrayecto mejora su robustez frente a las interferencias.
Resolución espacial y consumo de energía
Los avances en la tecnología de sensores SPAD, como la transición de la iluminación frontal (FSI) a la 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, se traduce en 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 elevadas barreras técnicas y los costes asociados a la tecnología dTOF, sus ventajas en precisión, alcance y eficiencia energética la convierten en una candidata prometedora para futuras aplicaciones en diversos campos. Conforme la tecnología de sensores y el diseño de circuitos electrónicos continúan evolucionando, los sistemas dTOF están preparados para una mayor adopción, impulsando innovaciones en electrónica de consumo, seguridad automotriz y otros sectores.
- De la página 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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Fecha de publicación: 7 de marzo de 2024