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직접 시간차 측정(dTOF) 기술은 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC) 방식을 활용하여 빛의 비행 시간을 정밀하게 측정하는 혁신적인 접근 방식입니다. 이 기술은 가전제품의 근접 센서부터 자동차 분야의 첨단 LiDAR 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에 필수적입니다. dTOF 시스템은 여러 핵심 구성 요소로 이루어져 있으며, 각 구성 요소는 정확한 거리 측정을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.
dTOF 시스템의 핵심 구성 요소
레이저 드라이버 및 레이저
송신기 회로의 핵심 부품인 레이저 구동기는 MOSFET 스위칭을 통해 레이저 방출을 제어하기 위한 디지털 펄스 신호를 생성합니다. 레이저, 특히수직 공진 표면 방출 레이저VCSEL(가변 스펙트럼 반도체 레이저)은 좁은 스펙트럼 폭, 높은 에너지 강도, 빠른 변조 속도 및 손쉬운 통합 특성으로 인해 선호됩니다. 적용 분야에 따라 태양 스펙트럼 흡수 피크와 센서의 양자 효율 사이의 균형을 맞추기 위해 850nm 또는 940nm의 파장이 선택됩니다.
송수신 광학 장치
송신 측에서는 단순 광학 렌즈 또는 콜리메이션 렌즈와 회절 광학 소자(DOE)의 조합을 통해 레이저 빔을 원하는 시야각으로 집중시킵니다. 수신 광학계는 목표 시야각 내의 빛을 모으는 역할을 하며, 낮은 F-넘버와 높은 상대 조도를 가진 렌즈와 함께 외부 광 간섭을 제거하는 협대역 필터를 사용합니다.
SPAD 및 SiPM 센서
단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)와 실리콘 광증폭기(SiPM)는 dTOF 시스템의 주요 센서입니다. SPAD는 단일 광자에 반응하여 단 하나의 광자로 강력한 애벌랜치 전류를 발생시키는 특성이 있어 고정밀 측정에 이상적입니다. 그러나 기존 CMOS 센서에 비해 픽셀 크기가 크기 때문에 dTOF 시스템의 공간 해상도가 제한됩니다.
시간-디지털 변환기(TDC)
TDC 회로는 아날로그 신호를 시간으로 표현되는 디지털 신호로 변환하여 각 광자 펄스가 기록되는 정확한 순간을 포착합니다. 이러한 정확도는 기록된 펄스의 히스토그램을 기반으로 목표물의 위치를 결정하는 데 매우 중요합니다.
dTOF 성능 매개변수 탐색
탐지 범위 및 정확도
이론적으로 dTOF 시스템의 검출 범위는 광 펄스가 이동하여 센서로 반사되어 돌아올 수 있는 거리까지 확장되며, 노이즈와 명확하게 구분됩니다. 소비자 가전 제품의 경우 일반적으로 VCSEL을 사용하여 5m 이내의 범위에 초점을 맞추는 반면, 자동차 애플리케이션에서는 100m 이상의 검출 범위가 필요할 수 있으므로 EEL과 같은 다른 기술이 필요합니다.파이버 레이저.
최대 모호성 범위
모호함 없이 통신할 수 있는 최대 거리는 방출되는 펄스 사이의 간격과 레이저의 변조 주파수에 따라 달라집니다. 예를 들어, 변조 주파수가 1MHz인 경우 모호함 없이 통신할 수 있는 거리는 최대 150m에 달할 수 있습니다.
정밀도 및 오차
dTOF 시스템의 정밀도는 본질적으로 레이저 펄스 폭에 의해 제한되며, 레이저 구동기, SPAD 센서 응답, TDC 회로 정확도 등 구성 요소의 다양한 불확실성으로 인해 오차가 발생할 수 있습니다. 기준 SPAD를 사용하는 것과 같은 전략은 타이밍 및 거리의 기준선을 설정함으로써 이러한 오차를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
잡음 및 간섭 저항성
dTOF 시스템은 특히 강한 빛 환경에서 배경 잡음에 대처해야 합니다. 감쇠 수준이 다른 여러 개의 SPAD 픽셀을 사용하는 것과 같은 기술은 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, dTOF는 직접 반사와 다중 경로 반사를 구분할 수 있어 간섭에 대한 내성을 향상시킵니다.
공간 해상도 및 전력 소비량
SPAD 센서 기술의 발전, 예를 들어 전면 조사(FSI)에서 후면 조사(BSI) 공정으로의 전환은 광자 흡수율과 센서 효율을 크게 향상시켰습니다. 이러한 발전은 dTOF 시스템의 펄스 특성과 결합되어 iTOF와 같은 연속파 시스템에 비해 전력 소비를 낮추는 결과를 가져왔습니다.
dTOF 기술의 미래
dTOF 기술은 높은 기술적 장벽과 비용에도 불구하고, 정확성, 측정 범위, 전력 효율성 측면에서 우수한 장점을 지니고 있어 다양한 분야의 미래 응용 분야에서 유망한 기술로 주목받고 있습니다. 센서 기술과 전자 회로 설계가 지속적으로 발전함에 따라, dTOF 시스템은 더욱 폭넓게 도입되어 가전제품, 자동차 안전 등 다양한 분야에서 혁신을 주도할 것으로 기대됩니다.
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게시 시간: 2024년 3월 7일