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ダイレクト飛行時間（dTOF）技術は、時間相関単一光子計数（TCSPC）法を用いて光の飛行時間を正確に測定する革新的な手法です。この技術は、民生用電子機器の近接センシングから車載用途の高度なLiDARシステムまで、様々なアプリケーションに不可欠な要素となっています。dTOFシステムは、複数の主要コンポーネントで構成されており、それぞれが正確な距離測定を実現する上で重要な役割を果たしています。
dTOFシステムのコアコンポーネント
レーザードライバーとレーザー
送信回路の重要な部分であるレーザードライバは、MOSFETスイッチングを介してレーザーの発光を制御するためのデジタルパルス信号を生成します。特にレーザーは垂直共振器面発光レーザーVCSEL（面発光レーザー）は、その狭帯域スペクトル、高エネルギー強度、高速変調機能、そして容易な統合性から好まれています。用途に応じて、太陽光スペクトルの吸収ピークとセンサーの量子効率のバランスをとるため、850nmまたは940nmの波長が選択されます。
送信および受信光学系
送信側では、単純な光学レンズ、またはコリメートレンズと回折光学素子（DOE）の組み合わせによって、レーザービームを所望の視野角に照射します。受信側は、目標視野角内に光を集めることを目的としており、F値が低く相対照度の高いレンズと、外来光干渉を除去する狭帯域フィルターが役立ちます。
SPADおよびSiPMセンサー
dTOFシステムの主要なセンサーは、単一光子アバランシェダイオード（SPAD）とシリコン光電子増倍管（SiPM）です。SPADは単一光子に反応し、わずか1つの光子で強力なアバランシェ電流を発生させるという特徴があり、高精度測定に最適です。しかし、従来のCMOSセンサーと比較してピクセルサイズが大きいため、dTOFシステムの空間分解能は制限されます。
時間/デジタルコンバータ（TDC）
TDC回路は、アナログ信号を時間で表されたデジタル信号に変換し、各光子パルスが記録された正確な瞬間を捉えます。この精度は、記録されたパルスのヒストグラムに基づいて対象物の位置を決定する上で非常に重要です。
dTOFパフォーマンスパラメータの調査
検出範囲と精度
dTOFシステムの検出範囲は、理論上、光パルスが到達し、反射されてセンサーに戻ってくる距離まで拡張され、ノイズと明確に識別されます。民生用電子機器の場合、焦点はVCSELを用いて5m以内の範囲に収まることが多いですが、自動車用途では100m以上の検出範囲が求められる場合があり、EELやファイバーレーザー.
最大曖昧さのない範囲
曖昧さのない最大距離は、発射されるパルス間隔とレーザーの変調周波数に依存します。例えば、変調周波数が1MHzの場合、曖昧さのない最大距離は150mに達します。
精度と誤差
dTOFシステムの精度は、レーザーのパルス幅によって本質的に制限されます。また、レーザードライバ、SPADセンサーの応答、TDC回路の精度など、コンポーネントの様々な不確実性によって誤差が生じる可能性があります。基準SPADを使用するなどの戦略は、タイミングと距離の基準を確立することで、これらの誤差を軽減するのに役立ちます。
ノイズおよび干渉耐性
dTOFシステムは、特に強い光環境において、背景ノイズへの対処が不可欠です。減衰レベルが異なる複数のSPADピクセルを使用するなどの技術は、この課題への対応に役立ちます。さらに、dTOFは直接反射と多重反射を区別できるため、干渉に対する堅牢性が向上します。
空間解像度と消費電力
SPADセンサー技術の進歩、例えば表面照射（FSI）プロセスから裏面照射（BSI）プロセスへの移行により、光子吸収率とセンサー効率が大幅に向上しました。この進歩とdTOFシステムのパルス特性を組み合わせることで、iTOFなどの連続波システムと比較して消費電力を低減できます。
dTOF技術の未来
dTOF技術は高い技術的障壁とコストを伴うものの、精度、距離、電力効率といった優位性により、様々な分野における将来の応用において有望な候補となっています。センサー技術と電子回路設計が進化を続けるにつれ、dTOFシステムはより広範な採用が見込まれ、民生用電子機器、自動車の安全性など、様々な分野におけるイノベーションを推進していくでしょう。
- ウェブページから02.02 TOF システム 第 2 章 dTOF システム - 超光 光より速い (faster-than-light.net)
- 著者：チャオ・グアン
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投稿日時: 2024年3月7日