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La technologie Direct Time-of-Flight (dTOF) est une approche innovante pour mesurer avec précision le temps de vol de la lumière, en utilisant la méthode de comptage de photons uniques corrélé dans le temps (TCSPC). Cette technologie fait partie intégrante d'une variété d'applications, de la détection de proximité dans l'électronique grand public aux systèmes LiDAR avancés dans les applications automobiles. À la base, les systèmes dTOF se composent de plusieurs composants clés, chacun jouant un rôle crucial pour garantir des mesures de distance précises.
Les composants de base des systèmes dTOF
Pilote laser et laser
Le pilote laser, élément essentiel du circuit émetteur, génère des signaux d'impulsion numériques pour contrôler l'émission du laser via la commutation MOSFET. Les lasers, en particulierLasers à émission de surface à cavité verticale(VCSEL), sont privilégiés pour leur spectre étroit, leur haute 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 de transmission et de réception
Du côté de la transmission, une simple lentille optique ou une combinaison de lentilles collimatrices et d'éléments optiques diffractifs (DOE) dirigent le faisceau laser à travers le champ de vision souhaité. L'optique de réception, destinée à collecter la lumière dans le champ de vision cible, bénéficie de lentilles avec des nombres F inférieurs et un éclairage relatif plus élevé, ainsi que de filtres à bande étroite pour éliminer les interférences lumineuses étrangères.
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 répondre à des photons uniques, déclenchant un fort courant d'avalanche avec un seul photon, ce qui les rend idéaux pour les mesures de haute précision. Cependant, leur taille de pixel plus grande par rapport aux capteurs CMOS traditionnels limite la résolution spatiale des systèmes dTOF.
Convertisseur temps-numérique (TDC)
Le circuit TDC traduit les signaux analogiques en signaux numériques représentés par le temps, capturant le moment précis où chaque impulsion photonique est enregistrée. Cette précision est cruciale pour déterminer la position de l'objet cible sur la base de l'histogramme des impulsions enregistrées.
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Portée de détection et précision
La plage de détection d'un système dTOF s'étend théoriquement aussi loin que ses impulsions lumineuses peuvent se déplacer et être réfléchies vers le capteur, identifiées distinctement du bruit. Pour l'électronique grand public, l'accent est souvent mis sur une portée de 5 m, en utilisant des VCSEL, tandis que les applications automobiles peuvent nécessiter des portées de détection de 100 m ou plus, nécessitant différentes technologies 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 survenir en raison de diverses incertitudes dans les 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 aider à atténuer ces erreurs en établissant une référence pour le timing et la distance.
Résistance au bruit et aux interférences
Les systèmes dTOF doivent faire face au bruit de fond, en particulier dans les environnements à forte luminosité. Des techniques telles que l'utilisation de plusieurs pixels SPAD avec différents niveaux d'atténuation peuvent aider à relever ce défi. De plus, la capacité du dTOF à faire la distinction entre les réflexions directes et multitrajets améliore sa robustesse contre les interférences.
Résolution spatiale et consommation d'énergie
Les progrès de la technologie des capteurs SPAD, tels que la transition des processus d’éclairage avant (FSI) aux processus d’éclairage arrière (BSI), ont considérablement amélioré les taux d’absorption des photons et l’efficacité du capteur. Ces progrès, combinés à la nature pulsée des systèmes dTOF, se traduisent par une consommation d'énergie inférieure par rapport aux systèmes à ondes continues comme iTOF.
L'avenir de la technologie dTOF
Malgré les barrières techniques élevées et les coûts 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. À mesure que la technologie des capteurs et la conception des circuits électroniques continuent d’évoluer, les systèmes dTOF sont sur le point d’être adoptés à plus grande échelle, stimulant ainsi les innovations dans les domaines de l’électronique grand public, de la sécurité automobile et au-delà.
- À partir de la page Web02.02 TOF系统 第二章 dTOF系统 - 超光 Plus rapide que la lumière (faster-than-light.net)
- de l'auteur : Chao Guang
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Heure de publication : 07 mars 2024