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Die Direct Time-of-Flight (dTOF)-Technologie ist ein innovatives Verfahren zur präzisen Messung der Laufzeit von Licht mithilfe der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC). Diese Technologie ist integraler Bestandteil einer Vielzahl von Anwendungen, von der Näherungserkennung in Unterhaltungselektronik bis hin zu fortschrittlichen LiDAR-Systemen in der Automobilindustrie. dTOF-Systeme bestehen im Kern aus mehreren Schlüsselkomponenten, die jeweils eine entscheidende Rolle für genaue Entfernungsmessungen spielen.
Die Kernkomponenten von dTOF-Systemen
Lasertreiber und Laser
Der Lasertreiber, ein zentraler Bestandteil der Senderschaltung, erzeugt digitale Impulssignale zur Steuerung der Laseremission mittels MOSFET-Schaltung. Laser, insbesondereVertikale Oberflächenemittierende LaserVCSELs (Variable Cell Selektoren) werden aufgrund ihres schmalen Spektrums, ihrer hohen Energieintensität, ihrer schnellen Modulationsfähigkeit und ihrer einfachen Integration bevorzugt. Je nach Anwendung werden Wellenlängen von 850 nm oder 940 nm gewählt, um ein optimales Verhältnis zwischen den Absorptionsmaxima des Sonnenspektrums und der Quanteneffizienz des Sensors zu erzielen.
Sende- und Empfangsoptik
Auf der Senderseite lenkt eine einfache optische Linse oder eine Kombination aus Kollimatorlinsen und diffraktiven optischen Elementen (DOEs) den Laserstrahl auf das gewünschte Sichtfeld. Die Empfängeroptik, die Licht innerhalb des Ziel-Sichtfelds sammelt, profitiert von Linsen mit niedrigeren Blendenzahlen und höherer relativer Beleuchtungsstärke sowie von Schmalbandfiltern zur Unterdrückung von Störlicht.
SPAD- und SiPM-Sensoren
Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs) und Silizium-Photomultiplier (SiPMs) sind die primären Sensoren in dTOF-Systemen. SPADs zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, auf einzelne Photonen zu reagieren und mit nur einem Photon einen starken Lawinenstrom auszulösen. Dadurch eignen sie sich ideal für hochpräzise Messungen. Ihre im Vergleich zu herkömmlichen CMOS-Sensoren größere Pixelgröße begrenzt jedoch die räumliche Auflösung von dTOF-Systemen.
Zeit-Digital-Wandler (TDC)
Die TDC-Schaltung wandelt analoge Signale in digitale, zeitbasierte Signale um und erfasst so den exakten Zeitpunkt der Aufzeichnung jedes Photonenimpulses. Diese Genauigkeit ist entscheidend für die Positionsbestimmung des Zielobjekts anhand des Histogramms der aufgezeichneten Impulse.
Untersuchung der dTOF-Leistungsparameter
Erfassungsbereich und Genauigkeit
Die Reichweite eines dTOF-Systems erstreckt sich theoretisch so weit, wie sich die Lichtimpulse ausbreiten und zum Sensor zurückreflektiert werden können, wobei sie sich deutlich vom Rauschen unterscheiden. In der Unterhaltungselektronik liegt der Fokus häufig auf einem Bereich von 5 m, wobei VCSELs zum Einsatz kommen, während Anwendungen im Automobilbereich Reichweiten von 100 m oder mehr erfordern, was andere Technologien wie EELs oder andere notwendig macht.Faserlaser.
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Maximaler eindeutiger Bereich
Die maximale Reichweite ohne Mehrdeutigkeit hängt vom Intervall zwischen den ausgesendeten Pulsen und der Modulationsfrequenz des Lasers ab. Beispielsweise kann bei einer Modulationsfrequenz von 1 MHz eine eindeutige Reichweite von bis zu 150 m erreicht werden.
Präzision und Fehler
Die Präzision von dTOF-Systemen ist prinzipiell durch die Pulsbreite des Lasers begrenzt. Fehler können zudem durch verschiedene Unsicherheiten in den Komponenten entstehen, darunter der Lasertreiber, die Ansprechzeit des SPAD-Sensors und die Genauigkeit der TDC-Schaltung. Strategien wie der Einsatz eines Referenz-SPADs können helfen, diese Fehler zu minimieren, indem sie eine Basislinie für Zeitmessung und Entfernungsmessung festlegen.
Rausch- und Störfestigkeit
dTOF-Systeme müssen mit Hintergrundrauschen zurechtkommen, insbesondere in Umgebungen mit starkem Licht. Techniken wie die Verwendung mehrerer SPAD-Pixel mit unterschiedlichen Dämpfungswerten können helfen, diese Herausforderung zu bewältigen. Darüber hinaus erhöht die Fähigkeit von dTOF, zwischen direkten und Mehrwege-Reflexionen zu unterscheiden, seine Robustheit gegenüber Störungen.
Räumliche Auflösung und Stromverbrauch
Fortschritte in der SPAD-Sensortechnologie, wie der Übergang von der Vorderseitenbeleuchtung (FSI) zur Rückseitenbeleuchtung (BSI), haben die Photonenabsorptionsrate und die Sensoreffizienz deutlich verbessert. Dieser Fortschritt, kombiniert mit dem gepulsten Betrieb von dTOF-Systemen, führt zu einem geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu kontinuierlichen Wellensystemen wie iTOF.
Die Zukunft der dTOF-Technologie
Trotz der hohen technischen Hürden und Kosten der dTOF-Technologie machen ihre Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Reichweite und Energieeffizienz sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen in verschiedensten Bereichen. Mit der Weiterentwicklung der Sensortechnologie und des Designs elektronischer Schaltungen stehen dTOF-Systeme vor einer breiteren Anwendung und treiben Innovationen in der Unterhaltungselektronik, der Fahrzeugsicherheit und darüber hinaus voran.
- Von der Webseite02.02 TOF-Testbericht dTOF-Testbericht - Beschreibung Schneller als Licht (faster-than-light.net)
- vom Autor: Chao Guang
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Veröffentlichungsdatum: 07. März 2024