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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 diversas aplicações, desde sensores 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.
Componentes Essenciais dos Sistemas dTOF
Driver de laser e laser
O driver do laser, uma parte fundamental do circuito transmissor, gera sinais de pulso digitais para controlar a emissão do laser por meio da comutação de MOSFETs. Os lasers, particularmenteLasers de emissão de superfície de cavidade verticalOs VCSELs (luminescentes de emissão catalítica semicondutora) são preferidos por seu espectro estreito, alta intensidade de energia, 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 colimadoras e elementos ópticos difrativos (DOEs) direciona o feixe de laser através do campo de visão desejado. A óptica de recepção, destinada a captar a 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 de luz externas.
Sensores SPAD e SiPM
Diodos de avalanche de fóton único (SPADs) e fotomultiplicadores de silício (SiPMs) são os principais sensores em sistemas dTOF. Os SPADs se destacam por sua capacidade de responder a fótons individuais, desencadeando uma forte corrente de avalanche com apenas um fóton, o que os torna ideais para medições de alta precisão. No entanto, o tamanho maior de seus pixels, em comparação com os sensores CMOS tradicionais, limita a resolução espacial dos sistemas dTOF.
Conversor de tempo para digital (TDC)
O circuito TDC converte 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 e precisão de detecção
Teoricamente, o alcance de detecção de um sistema dTOF se estende até onde seus pulsos de luz podem viajar e serem refletidos de volta ao sensor, sendo identificados distintamente do ruído. Para eletrônicos de consumo, o foco geralmente está em 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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Intervalo máximo não ambíguo
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 150 m.
Precisão e Erro
A precisão em sistemas dTOF é inerentemente limitada pela largura do 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 ruídos e interferências
Os sistemas dTOF precisam lidar com ruído de fundo, principalmente em ambientes com forte luminosidade. Técnicas como o uso de múltiplos pixels SPAD com diferentes níveis de atenuação podem ajudar a gerenciar esse desafio. Além disso, a capacidade do dTOF de distinguir entre reflexões diretas e multicaminho aumenta sua robustez contra interferências.
Resolução espacial e consumo de energia
Os avanços na tecnologia de sensores SPAD, como a transição da iluminação frontal (FSI) para a iluminação traseira (BSI), melhoraram significativamente as taxas de absorção de fótons e a eficiência dos sensores. Esse progresso, aliado à 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 custos associados à tecnologia dTOF, suas vantagens em precisão, alcance e eficiência energética a tornam uma candidata promissora para futuras aplicações em diversos campos. À medida que a tecnologia de sensores e o projeto 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)
- Por Chao Guang, autor do livro.
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Data da publicação: 07/03/2024