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A tecnologia de Tempo de Voo Direto (dTOF) é uma abordagem inovadora para medir com precisão o tempo de voo da luz, utilizando o método de Contagem de Fótons Únicos Correlacionados no Tempo (TCSPC). Essa tecnologia é essencial para uma variedade de aplicações, desde detecção de proximidade em eletrônicos de consumo até sistemas LiDAR avançados em aplicações automotivas. Em sua essência, os sistemas dTOF consistem em vários componentes-chave, cada um desempenhando um papel crucial para garantir medições de distância precisas.
Os principais componentes dos sistemas dTOF
Driver de laser e laser
O driver do laser, parte fundamental do circuito transmissor, gera sinais de pulso digitais para controlar a emissão do laser por meio de comutação MOSFET. Lasers, particularmenteLasers emissores de superfície de cavidade vertical(VCSELs) são preferidos por seu espectro estreito, alta intensidade energética, capacidade de modulação rápida e facilidade de integração. Dependendo da aplicação, comprimentos de onda de 850 nm ou 940 nm são selecionados para equilibrar os picos de absorção do espectro solar e a eficiência quântica do sensor.
Óptica de transmissão e recepção
No lado da transmissão, uma lente óptica simples ou uma combinação de lentes colimadoras e Elementos Ópticos Difrativos (EODs) direciona o feixe de laser através do campo de visão desejado. A óptica receptora, destinada a coletar luz dentro do campo de visão alvo, beneficia-se de lentes com números F mais baixos e maior iluminação relativa, juntamente com filtros de banda estreita para eliminar interferências luminosas externas.
Sensores SPAD e SiPM
Diodos de avalanche de fóton único (SPAD) e fotomultiplicadores de silício (SiPM) são os principais sensores em sistemas dTOF. Os SPADs se distinguem por sua capacidade de responder a fótons individuais, desencadeando uma forte corrente de avalanche com apenas um fóton, tornando-os ideais para medições de alta precisão. No entanto, seu tamanho de pixel maior em comparação com os sensores CMOS tradicionais limita a resolução espacial dos sistemas dTOF.
Conversor de tempo para digital (TDC)
O circuito TDC traduz sinais analógicos em sinais digitais representados pelo tempo, capturando o momento preciso em que cada pulso de fóton é registrado. Essa precisão é crucial para determinar a posição do objeto alvo com base no histograma dos pulsos registrados.
Explorando os parâmetros de desempenho do dTOF
Alcance de detecção e precisão
O alcance de detecção de um sistema dTOF, teoricamente, estende-se até onde seus pulsos de luz podem viajar e ser refletidos de volta para o sensor, sendo identificados distintamente do ruído. Para eletrônicos de consumo, o foco geralmente está dentro de um alcance de 5 m, utilizando VCSELs, enquanto aplicações automotivas podem exigir alcances de detecção de 100 m ou mais, necessitando de tecnologias diferentes, como EELs oulasers de fibra.
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Alcance máximo inequívoco
O alcance máximo sem ambiguidade depende do intervalo entre os pulsos emitidos e da frequência de modulação do laser. Por exemplo, com uma frequência de modulação de 1 MHz, o alcance sem ambiguidade pode chegar a até 150 m.
Precisão e Erro
A precisão em sistemas dTOF é inerentemente limitada pela largura de pulso do laser, enquanto erros podem surgir de diversas incertezas nos componentes, incluindo o driver do laser, a resposta do sensor SPAD e a precisão do circuito TDC. Estratégias como o uso de um SPAD de referência podem ajudar a mitigar esses erros, estabelecendo uma linha de base para tempo e distância.
Resistência a ruído e interferência
Os sistemas dTOF precisam lidar com ruído de fundo, especialmente em ambientes com muita luz. Técnicas como o uso de múltiplos pixels SPAD com diferentes níveis de atenuação podem ajudar a lidar com esse desafio. Além disso, a capacidade do dTOF de distinguir entre reflexões diretas e multipercurso aumenta sua robustez contra interferências.
Resolução Espacial e Consumo de Energia
Avanços na tecnologia de sensores SPAD, como a transição dos processos de iluminação frontal (FSI) para a iluminação traseira (BSI), melhoraram significativamente as taxas de absorção de fótons e a eficiência do sensor. Esse progresso, combinado com a natureza pulsada dos sistemas dTOF, resulta em menor consumo de energia em comparação com sistemas de onda contínua como o iTOF.
O futuro da tecnologia dTOF
Apesar das elevadas barreiras técnicas e dos custos associados à tecnologia dTOF, suas vantagens em precisão, alcance e eficiência energética a tornam uma candidata promissora para aplicações futuras em diversos campos. À medida que a tecnologia de sensores e o design de circuitos eletrônicos evoluem, os sistemas dTOF estão prontos para uma adoção mais ampla, impulsionando inovações em eletrônicos de consumo, segurança automotiva e muito mais.
- Da página da web02.02 TOF系统 第二章 dTOF系统 - 超光 Mais rápido que a luz (faster-than-light.net)
- pelo autor: Chao Guang
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Horário da postagem: 07/03/2024