Neuigkeiten – dTOF-Sensor: Funktionsprinzip und Schlüsselkomponenten.

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Die Direct Time-of-Flight (dTOF)-Technologie ist ein innovativer Ansatz zur präzisen Messung der Lichtlaufzeit mithilfe der TCSPC-Methode (Time Correlated Single Photon Counting). Diese Technologie ist integraler Bestandteil einer Vielzahl von Anwendungen, von der Näherungssensorik in der Unterhaltungselektronik bis hin zu fortschrittlichen LiDAR-Systemen im Automobilbereich. dTOF-Systeme bestehen im Kern aus mehreren Schlüsselkomponenten, die jeweils eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung präziser Entfernungsmessungen spielen.

Die Kernkomponenten von dTOF-Systemen

Lasertreiber und Laser

Der Lasertreiber, ein zentraler Bestandteil der Senderschaltung, erzeugt digitale Impulssignale zur Steuerung der Laseremission über MOSFET-Schaltung. Laser, insbesondereOberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität(VCSELs) 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 Gleichgewicht zwischen den Absorptionsspitzen des Sonnenspektrums und der Quanteneffizienz des Sensors zu erreichen.

Sende- und Empfangsoptik

Auf der Sendeseite lenkt eine einfache optische Linse oder eine Kombination aus Kollimationslinsen und diffraktiven optischen Elementen (DOEs) den Laserstrahl über das gewünschte Sichtfeld. Die Empfangsoptik, die das Licht im Zielsichtfeld sammelt, profitiert von Linsen mit niedrigeren Blendenzahlen und höherer relativer Beleuchtungsstärke sowie Schmalbandfiltern zur Eliminierung von Fremdlichtstörungen.

SPAD- und SiPM-Sensoren

Single-Photon Avalanche-Dioden (SPAD) und Silizium-Photomultiplier (SiPM) sind die Hauptsensoren 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 genauen Zeitpunkt der Aufzeichnung jedes Photonenimpulses. Diese Genauigkeit ist entscheidend für die Bestimmung der Position des Zielobjekts anhand des Histogramms der aufgezeichneten Impulse.

Untersuchung der dTOF-Leistungsparameter

Erfassungsbereich und Genauigkeit

Die Erfassungsreichweite eines dTOF-Systems reicht theoretisch so weit, wie seine Lichtimpulse zurück zum Sensor reflektiert werden können und sich deutlich vom Rauschen unterscheiden. Bei Unterhaltungselektronik liegt der Fokus oft auf einer Reichweite von 5 m unter Verwendung von VCSELs, während Automobilanwendungen Erfassungsreichweiten von 100 m oder mehr erfordern können, was andere Technologien wie EELs oderFaserlaser.

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Maximale eindeutige Reichweite

Die maximale Reichweite ohne Mehrdeutigkeit hängt vom Intervall zwischen den ausgesendeten Impulsen und der Modulationsfrequenz des Lasers ab. Beispielsweise kann bei einer Modulationsfrequenz von 1 MHz die eindeutige Reichweite bis zu 150 m betragen.

Präzision und Fehler

Die Präzision von dTOF-Systemen wird grundsätzlich durch die Pulsbreite des Lasers begrenzt. Fehler können durch verschiedene Unsicherheiten in den Komponenten entstehen, darunter Lasertreiber, SPAD-Sensorreaktion und Genauigkeit der TDC-Schaltung. Strategien wie der Einsatz eines Referenz-SPAD können helfen, diese Fehler zu minimieren, indem sie eine Basislinie für Timing und Distanz schaffen.

Rausch- und Interferenzfestigkeit

dTOF-Systeme müssen insbesondere in Umgebungen mit starkem Licht mit Hintergrundrauschen zu kämpfen haben. Techniken wie die Verwendung mehrerer SPAD-Pixel mit unterschiedlichen Dämpfungsstufen können diese Herausforderung bewältigen. Darüber hinaus erhöht die Fähigkeit von dTOF, zwischen Direkt- und Mehrwegereflexionen zu unterscheiden, die Robustheit gegenüber Störungen.

Räumliche Auflösung und Stromverbrauch

Fortschritte in der SPAD-Sensortechnologie, wie der Übergang von Front-Side-Illumination- (FSI) zu Back-Side-Illumination- (BSI) Prozessen, haben die Photonenabsorptionsraten und die Sensoreffizienz deutlich verbessert. Dieser Fortschritt, kombiniert mit der gepulsten Natur von dTOF-Systemen, führt zu einem geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu Dauerstrichsystemen wie iTOF.

Die Zukunft der dTOF-Technologie

Trotz der hohen technischen Hürden und Kosten der dTOF-Technologie machen ihre Vorteile in Bezug auf Genauigkeit, Reichweite und Energieeffizienz sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Mit der Weiterentwicklung der Sensortechnologie und des elektronischen Schaltungsdesigns stehen dTOF-Systeme vor einer breiteren Verbreitung 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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