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La technologie de temps de vol direct (dTOF) est une approche novatrice permettant de mesurer avec précision le temps de vol de la lumière, grâce à la méthode de comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC). Cette technologie est essentielle à de nombreuses applications, allant de la détection de proximité dans l'électronique grand public aux systèmes LiDAR avancés pour l'automobile. Un système dTOF repose sur plusieurs composants clés, chacun jouant un rôle crucial pour garantir la précision des mesures de distance.
Les composants essentiels des systèmes dTOF
Pilote laser et laser
Le circuit de commande du laser, élément essentiel du circuit émetteur, génère des signaux d'impulsions numériques pour contrôler l'émission du laser par commutation MOSFET. Les lasers, en particulierLasers à émission de surface à cavité verticaleLes VCSEL sont privilégiés pour leur spectre étroit, leur forte intensité énergétique, leur modulation rapide et leur facilité d'intégration. Selon l'application, les longueurs d'onde de 850 nm ou 940 nm sont choisies afin d'optimiser le compromis entre les pics d'absorption du spectre solaire et le rendement quantique du capteur.
Optiques d'émission et de réception
Côté émission, une simple lentille optique ou une combinaison de lentilles collimatrices et d'éléments optiques diffractifs (DOE) dirige le faisceau laser sur le champ de vision souhaité. Côté réception, l'optique, conçue pour collecter la lumière dans le champ de vision cible, utilise des lentilles à faible ouverture numérique et à forte illumination relative, ainsi que des filtres à bande étroite pour éliminer les interférences lumineuses parasites.
Capteurs SPAD et SiPM
Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD) et les photomultiplicateurs au silicium (SiPM) sont les principaux capteurs des systèmes dTOF. Les SPAD se distinguent par leur capacité à réagir à un seul photon, déclenchant un courant d'avalanche intense avec un seul photon, ce qui les rend idéales pour les mesures de haute précision. Cependant, la taille plus importante de leurs pixels par rapport aux capteurs CMOS traditionnels limite la résolution spatiale des systèmes dTOF.
Convertisseur temps-numérique (TDC)
Le circuit TDC convertit les signaux analogiques en signaux numériques représentés par le temps, capturant ainsi l'instant précis où chaque impulsion photonique est enregistrée. Cette précision est essentielle pour déterminer la position de l'objet cible à partir de l'histogramme des impulsions enregistrées.
Exploration des paramètres de performance du dTOF
Portée et précision de détection
La portée de détection d'un système dTOF s'étend théoriquement jusqu'à la distance que peuvent parcourir ses impulsions lumineuses et être réfléchies vers le capteur, en étant clairement distinguées du bruit. Pour l'électronique grand public, la portée se situe souvent autour de 5 m, avec l'utilisation de VCSEL, tandis que les applications automobiles peuvent nécessiter des portées de détection de 100 m ou plus, impliquant des technologies différentes comme les EEL ou les VCSEL.lasers à fibre.
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Plage maximale non ambiguë
La portée maximale sans ambiguïté dépend de l'intervalle entre les impulsions émises et de la fréquence de modulation du laser. Par exemple, avec une fréquence de modulation de 1 MHz, la portée sans ambiguïté peut atteindre 150 m.
Précision et erreur
La précision des systèmes dTOF est intrinsèquement limitée par la largeur d'impulsion du laser, tandis que des erreurs peuvent provenir de diverses incertitudes liées aux composants, notamment le circuit de commande du laser, la réponse du capteur SPAD et la précision du circuit TDC. L'utilisation d'un capteur SPAD de référence permet d'atténuer ces erreurs en établissant une base de référence pour le temps et la distance.
Résistance au bruit et aux interférences
Les systèmes dTOF doivent composer avec le bruit de fond, notamment en environnement fortement éclairé. Des techniques telles que l'utilisation de plusieurs pixels SPAD à différents niveaux d'atténuation permettent de surmonter cette difficulté. De plus, la capacité du dTOF à distinguer les réflexions directes des réflexions à trajets multiples renforce sa robustesse face aux interférences.
Résolution spatiale et consommation d'énergie
Les progrès réalisés dans la technologie des capteurs SPAD, notamment le passage de l'illumination frontale (FSI) à l'illumination arrière (BSI), ont considérablement amélioré les taux d'absorption des photons et l'efficacité des capteurs. Ces avancées, combinées à la nature pulsée des systèmes dTOF, permettent de réduire la consommation d'énergie par rapport aux systèmes à onde continue comme l'iTOF.
L'avenir de la technologie dTOF
Malgré les obstacles techniques et les coûts élevés associés à la technologie dTOF, ses avantages en termes de précision, de portée et d'efficacité énergétique en font une candidate prometteuse pour de futures applications dans divers domaines. À mesure que la technologie des capteurs et la conception des circuits électroniques évoluent, les systèmes dTOF sont prêts à se généraliser, stimulant ainsi les innovations dans l'électronique grand public, la sécurité automobile et bien d'autres secteurs.
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- par l'auteur : Chao Guang
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Date de publication : 7 mars 2024