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直接飛行時間 (dTOF) テクノロジーは、時間相関単一光子計数 (TCSPC) 法を利用して、光の飛行時間を正確に測定する革新的なアプローチです。このテクノロジーは、家庭用電化製品の近接センシングから自動車アプリケーションの高度な LiDAR システムに至るまで、さまざまなアプリケーションに不可欠です。 dTOF システムの中核は、いくつかの重要な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保証する上で重要な役割を果たします。
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 ドライバーは、デジタル パルス信号を生成し、MOSFET スイッチングを介してレーザーの放射を制御します。レーザー、特に垂直共振器面発光レーザー(VCSEL) は、その狭いスペクトル、高エネルギー強度、高速変調機能、および統合の容易さにより好まれています。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に、850nm または 940nm の波長が選択されます。
光の送受信
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) の組み合わせが、レーザー ビームを目的の視野全体に向けます。ターゲットの視野内に光を集めることが目的の受信光学系は、外来光の干渉を排除する狭帯域フィルターとともに、より低い F 値とより高い相対照度を備えたレンズの恩恵を受けます。
SPAD および SiPM センサー
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) は、dTOF システムの主要なセンサーです。 SPAD は単一光子に応答する能力が特徴で、たった 1 つの光子で強力なアバランシェ電流を引き起こすため、高精度の測定に最適です。ただし、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 システムの空間解像度は制限されます。
タイムトゥデジタルコンバーター (TDC)
TDC 回路は、アナログ信号を時間で表されるデジタル信号に変換し、各光子パルスが記録される正確な瞬間を捕捉します。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ターゲット オブジェクトの位置を決定するために非常に重要です。
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的には、光パルスが移動してセンサーに反射してノイズと区別できる範囲まで拡張されます。家庭用電化製品の場合、焦点は VCSEL を使用して 5 メートルの範囲内にあることがよくありますが、車載アプリケーションでは 100 メートル以上の検出範囲が必要な場合があり、EEL やファイバーレーザー.
明確な最大範囲
曖昧さのない最大範囲は、放射されるパルス間の間隔とレーザーの変調周波数によって決まります。たとえば、変調周波数が 1MHz の場合、明確な範囲は最大 150m に達します。
精度と誤差
dTOF システムの精度は本質的にレーザーのパルス幅によって制限されますが、レーザー ドライバー、SPAD センサーの応答、TDC 回路の精度など、コンポーネントのさまざまな不確実性によって誤差が発生する可能性があります。リファレンス SPAD を採用するなどの戦略は、タイミングと距離のベースラインを確立することで、これらのエラーを軽減するのに役立ちます。
耐ノイズ性と耐干渉性
dTOF システムは、特に強い光の環境ではバックグラウンド ノイズに対処する必要があります。さまざまな減衰レベルを持つ複数の SPAD ピクセルを使用するなどの技術は、この課題の管理に役立ちます。さらに、直接反射とマルチパス反射を区別する dTOF の機能により、干渉に対する堅牢性が強化されます。
空間解像度と消費電力
前面照射 (FSI) プロセスから裏面照射 (BSI) プロセスへの移行など、SPAD センサー技術の進歩により、光子の吸収率とセンサー効率が大幅に向上しました。この進歩は、dTOF システムのパルス特性と相まって、iTOF のような連続波システムと比較して消費電力が低くなります。
dTOF テクノロジーの将来
dTOF テクノロジーに関連する高い技術的障壁とコストにもかかわらず、その精度、範囲、電力効率における利点により、dTOF テクノロジーはさまざまな分野での将来のアプリケーションの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し続けるにつれて、dTOF システムはより広範に採用される準備が整い、家庭用電化製品、自動車の安全性などの革新を推進します。
- 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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投稿時間: 2024 年 3 月 7 日