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La technologie dTOF (temps de vol direct) est une approche innovante permettant de mesurer précisément 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, de la détection de proximité dans l'électronique grand public aux systèmes LiDAR avancés dans l'automobile. Les systèmes dTOF sont constitués de plusieurs composants clés, chacun jouant un rôle crucial dans la précision des mesures de distance.
Les composants de base des systèmes dTOF
Pilote laser et laser
Le pilote laser, élément central du circuit émetteur, génère des signaux d'impulsions numériques pour contrôler l'émission du laser via la commutation MOSFET. Les lasers, en particulierLasers à cavité verticale émettant par la surfaceLes VCSEL (Vibration Spectrophotométrique Laser) sont privilégiés pour leur spectre étroit, leur forte intensité énergétique, leurs capacités de modulation rapide et leur facilité d'intégration. Selon l'application, des longueurs d'onde de 850 nm ou 940 nm sont sélectionnées pour équilibrer les pics d'absorption du spectre solaire et l'efficacité quantique du capteur.
Optique d'émission et de réception
Côté émission, une simple lentille optique ou une combinaison de lentilles de collimation et d'éléments optiques diffractifs (DOE) dirige le faisceau laser dans le champ de vision souhaité. L'optique de réception, destinée à capter la lumière dans le champ de vision cible, bénéficie de lentilles à faible nombre d'ouverture et à éclairement relatif plus élevé, ainsi que de 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 des photons uniques, déclenchant un fort courant d'avalanche avec un seul photon, ce qui les rend idéales pour les mesures de haute précision. Cependant, leur taille de pixel supérieure à celle des 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 cruciale pour déterminer la position de l'objet cible à partir de l'histogramme des impulsions enregistrées.
Exploration des paramètres de performance dTOF
Portée de détection et précision
La portée de détection d'un système dTOF s'étend théoriquement jusqu'à la distance à laquelle ses impulsions lumineuses peuvent parcourir et être réfléchies vers le capteur, distinctement du bruit. Pour l'électronique grand public, la portée est souvent de 5 m, grâce aux VCSEL, tandis que les applications automobiles peuvent nécessiter des portées de détection de 100 m ou plus, nécessitant des technologies différentes comme les EEL oulasers à fibre.
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Portée maximale sans ambiguïté
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 pilote laser, la réponse du capteur SPAD et la précision du circuit TDC. Des stratégies telles que l'utilisation d'un SPAD de référence peuvent contribuer à atténuer ces erreurs en établissant une base de référence pour la synchronisation et la distance.
Résistance au bruit et aux interférences
Les systèmes dTOF doivent gérer le bruit de fond, notamment dans les environnements à forte luminosité. Des techniques telles que l'utilisation de plusieurs pixels SPAD avec différents niveaux d'atténuation peuvent contribuer à relever ce défi. De plus, la capacité du dTOF à distinguer les réflexions directes des réflexions multitrajets renforce sa résistance aux interférences.
Résolution spatiale et consommation d'énergie
Les avancées technologiques des capteurs SPAD, telles que le passage de l'éclairage frontal (FSI) à l'éclairage arrière (BSI), ont considérablement amélioré les taux d'absorption des photons et l'efficacité des capteurs. Ces progrès, combinés à la nature pulsée des systèmes dTOF, se traduisent par une consommation énergétique inférieure à celle des systèmes à ondes continues comme l'iTOF.
L'avenir de la technologie dTOF
Malgré les obstacles techniques et les coûts importants associés à la technologie dTOF, ses avantages en termes de précision, de portée et d'efficacité énergétique en font un candidat prometteur pour de futures applications dans divers domaines. Avec l'évolution constante de la technologie des capteurs et de la conception des circuits électroniques, les systèmes dTOF sont appelés à être largement adoptés, stimulant ainsi les innovations dans l'électronique grand public, la sécurité automobile et bien plus encore.
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- par l'auteur : Chao Guang
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Date de publication : 07/03/2024