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Die Direct-Time-of-Flight-Technologie (dTOF) ist ein innovativer Ansatz zur präzisen Messung der Flugzeit von Licht unter Verwendung der Time Corlated Single Photon Counting (TCSPC)-Methode. Diese Technologie ist integraler Bestandteil einer Vielzahl von Anwendungen, von der Näherungserkennung in der Unterhaltungselektronik bis hin zu fortschrittlichen LiDAR-Systemen in Automobilanwendungen. Im Kern bestehen dTOF-Systeme aus mehreren Schlüsselkomponenten, von denen jede eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung genauer Entfernungsmessungen spielt.
Die Kernkomponenten von dTOF-Systemen
Lasertreiber und Laser
Der Lasertreiber, ein zentraler Bestandteil der Senderschaltung, erzeugt digitale Impulssignale, um die Laseremission über MOSFET-Schaltung zu steuern. Insbesondere LaserOberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum(VCSELs) werden wegen ihres schmalen Spektrums, ihrer hohen Energieintensität, ihrer schnellen Modulationsfähigkeit und ihrer einfachen Integration bevorzugt. Abhängig von der Anwendung werden Wellenlängen von 850 nm oder 940 nm ausgewählt, um ein Gleichgewicht zwischen den Absorptionsspitzen des Sonnenspektrums und der Quanteneffizienz des Sensors herzustellen.
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 darauf abzielt, Licht innerhalb des Zielsichtfelds zu sammeln, profitiert von Linsen mit niedrigeren F-Zahlen und höherer relativer Beleuchtung sowie Schmalbandfiltern zur Eliminierung von Fremdlichtinterferenzen.
SPAD- und SiPM-Sensoren
Einzelphotonen-Lawinendioden (SPAD) und Silizium-Photomultiplier (SiPM) 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, was sie ideal für hochpräzise Messungen macht. Allerdings begrenzt ihre im Vergleich zu herkömmlichen CMOS-Sensoren größere Pixelgröße die räumliche Auflösung von dTOF-Systemen.
Zeit-zu-Digital-Wandler (TDC)
Die TDC-Schaltung wandelt analoge Signale in digitale Signale um, die durch die Zeit dargestellt werden, und erfasst den genauen Zeitpunkt, zu dem jeder Photonenimpuls aufgezeichnet wird. Diese Genauigkeit ist entscheidend für die Bestimmung der Position des Zielobjekts anhand des Histogramms der aufgezeichneten Impulse.
Erkundung der dTOF-Leistungsparameter
Erfassungsbereich und Genauigkeit
Der Erfassungsbereich eines dTOF-Systems erstreckt sich theoretisch so weit, wie seine Lichtimpulse wandern und zum Sensor zurückreflektiert werden können, der sich deutlich vom Rauschen unterscheidet. Bei der Unterhaltungselektronik liegt der Schwerpunkt bei Verwendung von VCSELs häufig auf einer Reichweite von 5 m, während für Automobilanwendungen möglicherweise Erkennungsbereiche von 100 m oder mehr erforderlich sind, was andere Technologien wie EELs oder mehr erfordertFaserlaser.
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Maximale eindeutige Reichweite
Die maximale Reichweite ohne Mehrdeutigkeit hängt vom Abstand 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 in dTOF-Systemen ist von Natur aus durch die Pulsbreite des Lasers begrenzt, während Fehler durch verschiedene Unsicherheiten in den Komponenten entstehen können, einschließlich des Lasertreibers, der Reaktion des SPAD-Sensors und der Genauigkeit der TDC-Schaltung. Strategien wie der Einsatz eines Referenz-SPAD können dabei helfen, diese Fehler zu mindern, indem sie eine Basis für Timing und Distanz festlegen.
Rausch- und Interferenzfestigkeit
dTOF-Systeme müssen mit Hintergrundrauschen kämpfen, insbesondere in Umgebungen mit starkem Licht. Techniken wie die Verwendung mehrerer SPAD-Pixel mit unterschiedlichen Dämpfungsstufen können dabei helfen, diese Herausforderung zu bewältigen. Darüber hinaus erhöht die Fähigkeit von dTOF, zwischen direkten und Mehrwegereflexionen zu unterscheiden, seine Robustheit gegenüber Interferenzen.
Ortsauflösung und Stromverbrauch
Fortschritte in der SPAD-Sensortechnologie, wie der Übergang von Front-Side-Illumination- (FSI) zu Back-Side-Illumination-Prozessen (BSI), haben die Photonenabsorptionsraten und die Sensoreffizienz erheblich verbessert. Dieser Fortschritt führt in Kombination mit der gepulsten Natur von dTOF-Systemen zu einem geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu kontinuierlichen Wellensystemen wie iTOF.
Die Zukunft der dTOF-Technologie
Trotz der hohen technischen Hürden und Kosten, die mit der dTOF-Technologie verbunden sind, machen ihre Vorteile in Bezug auf Genauigkeit, Reichweite und Energieeffizienz sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Da sich die Sensortechnologie und das Design elektronischer Schaltkreise ständig weiterentwickeln, stehen dTOF-Systeme vor einer breiteren Verbreitung und treiben Innovationen in der Unterhaltungselektronik, der Automobilsicherheit 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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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.03.2024