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A tecnologia Direct Time-of-Flight (dTOF) é uma abordagem inovadora para medir com precisão o tempo de voo da luz, utilizando o método Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Esta tecnologia é essencial para uma variedade de aplicações, desde a detecção de proximidade em produtos eletrônicos de consumo até sistemas LiDAR avançados em aplicações automotivas. Basicamente, os sistemas dTOF consistem em vários componentes principais, cada um desempenhando um papel crucial na garantia de medições precisas de distância.
Os principais componentes dos sistemas dTOF
Driver de laser e laser
O driver do laser, uma parte essencial do circuito do transmissor, gera sinais de pulso digitais para controlar a emissão do laser por meio da comutação MOSFET. Os lasers, especialmenteLasers emissores de superfície de cavidade vertical(VCSELs), são favorecidos por seu espectro estreito, alta intensidade energética, capacidades 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 de colimação e elementos ópticos difrativos (DOEs) direciona o feixe de laser através do campo de visão desejado. A óptica de recepção, destinada a captar luz dentro do campo de visão alvo, beneficia de lentes com números F mais baixos e iluminação relativa mais elevada, juntamente com filtros de banda estreita para eliminar interferências de luz estranhas.
Sensores SPAD e SiPM
Diodos de avalanche de fóton único (SPAD) e fotomultiplicadores de silício (SiPM) são os sensores primários em sistemas dTOF. Os SPADs se distinguem por sua capacidade de responder a fótons únicos, desencadeando uma forte corrente de avalanche com apenas um fóton, tornando-os ideais para medições de alta precisão. No entanto, o 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. Esta precisão é crucial para determinar a posição do objeto alvo com base no histograma dos pulsos registrados.
Explorando os parâmetros de desempenho dTOF
Alcance e precisão de detecção
O alcance de detecção de um sistema dTOF teoricamente se estende até onde seus pulsos de luz podem viajar e ser refletidos de volta ao sensor, identificado de forma distinta do ruído. Para produtos eletrônicos de consumo, o foco geralmente está no alcance de 5 m, utilizando VCSELs, enquanto as aplicações automotivas podem exigir alcances de detecção de 100 m ou mais, necessitando de diferentes tecnologias, como EELs oulasers de fibra.
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Faixa máxima inequívoca
O alcance máximo sem ambigüidade 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 inequívoco pode atingir até 150 m.
Precisão e erro
A precisão nos sistemas dTOF é inerentemente limitada pela largura de pulso do laser, enquanto erros podem surgir de várias incertezas nos componentes, incluindo o driver do laser, a resposta do sensor SPAD e a precisão do circuito TDC. Estratégias como o emprego 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 devem lidar com o ruído de fundo, especialmente em ambientes com muita luz. Técnicas como o uso de vários pixels SPAD com níveis variados de atenuação podem ajudar a gerenciar esse desafio. Além disso, a capacidade do dTOF de distinguir entre reflexões diretas e de múltiplos caminhos 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 iluminação posterior (BSI), melhoraram significativamente as taxas de absorção de fótons e a eficiência do sensor. Este progresso, combinado com a natureza pulsada dos sistemas dTOF, resulta em menor consumo de energia em comparação com sistemas de ondas contínuas como o iTOF.
O futuro da tecnologia dTOF
Apesar das altas barreiras técnicas e dos custos associados à tecnologia dTOF, suas vantagens em precisão, alcance e eficiência energética tornam-na uma candidata promissora para aplicações futuras em diversos campos. À medida que a tecnologia de sensores e o design de circuitos eletrônicos continuam a evoluir, os sistemas dTOF estão preparados 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