Technologia ToF otwiera nowe możliwości

Technologia ToF otwiera nowe możliwości

Time of Flight (ToF) to technologia, która mierzy odległość od analizowanego obiektu wraz z pomiarem głębokości i została już zaimplementowana na rynkach konsumenckim i przemysłowym o dużym potencjale rozwojowym. W tym artykule przedstawimy charakterystykę technologii ToF i rozwiązań firmy STMicroelectronics, które mogą być pomocne przy opracowywaniu produktów opartych na ToF.

Szeroki zakres aplikacji technologii ToF 

Technologia ToF oblicza odległość fotografowanego obiektu, obliczając różnicę czasu (lub różnicę faz) między emisją światła a odbiciem: czujnik emituje modulowane światło podczerwone, odbijane w momencie napotkania obiektu i odbiera światło zwrócone w celu wygenerowania informacji o odległości. W połączeniu z tradycyjnymi technikami fotografowania, można utworzyć trójwymiarowy obraz obiektu, przedstawiony za pomocą różnych kolorów, reprezentujących różne odległości.

Dzięki technologii ToF możliwe jest wykrycie informacji o odległości i głębokości między czujnikiem a fotografowanym obiektem. Dlatego technologia ta może być stosowana w takich obszarach AR/VR, wykrywanie ludzkiego ciała, rozpoznawanie twarzy, wykrywanie gestów, radar cofania, generowanie widoku otoczenia wokół samochodu, widzenie maszynowe itp.  

Zintegrowane rozwiązania 

STMicroelectronics od ponad 20 lat wprowadza innowacje w zakresie rozwiązań obrazowania i czujników optycznych. Firma niedawno wprowadziła nową, czwartą już generację wysokowydajnych czujników zbliżeniowych i odległościowych opartych na technologii FlightSense ToF. Do tej pory układy ToF od STMicroelectronics znalazły zastosowanie w projektach ponad 50 producentów OEM: ST dostarczył na rynek 42.000 zestawów rozwojowych i ponad 1 miliard układów ToF.

FlightSense ToF to moduł nadajnika laserowego, który emituje światło lub fotony w kierunku celu, a następnie wychwytuje je z powrotem za pomocą zintegrowanego odbiornika. Zasada zastosowania modułu jest dość prosta: dopóki obliczenia opierają się na czasie podróży światła tam i z powrotem, odległość można uzyskać niezależnie od koloru, rozmiaru oraz współczynnika odbicia obiektu. Nawet w przypadku obiektów w czerni, bieli lub innych kolorach można uzyskać taką samą dokładność pomiaru odległości. Nadajnik modułu FlightSense ToF charakteryzuje się wysokowydajnym pomiarem odległości, łatwą i szybką integracją, niskim zużyciem energii, możliwością pomiaru bardzo dużych odległości, wykrywaniem wielu celów oraz dynamiczną korekcją smug.

W przyszłości będzie pojawiać się na rynku coraz więcej aplikacji bezdotykowych, które umożliwią uniknięcie infekcji spowodowanych kontaktem (np. windy, urządzenie zainstalowane w szpitalach, lecz także inteligentnych domach). 

Dokładność pomiaru bez względu na zdolność odbijania, materiał czy kolor

Rodzina modułów FlightSense ToF obejmuje między innymi najnowszy model o oznaczeniu VL53L3CX. Moduł, powstały w oparciu o opatentowaną technologię FlightSense trzeciej generacji STMicroelectronics, integruje wysokowydajne czujniki zbliżeniowe i odległościowe, pomiar odległości do wielu celów i automatyczną korekcję smug. Miniaturowy pakiet zawiera zintegrowane jednofotonowe diody lawinowe SPAD (single photon avalanche diode) i fizyczny filtr podczerwieni - co pozwala mu osiągnąć optymalną wydajność w różnych warunkach oświetlenia otoczenia – oraz zawiera różne rodzaje szklanych okienek.

VL53L3CX łączy w sobie zalety wysokowydajnego czujnika zbliżeniowego, doskonałą liniowość na niewielkie odległości oraz zasięg do 3 m. Dzięki opatentowanemu algorytmowi i pomysłowej konstrukcji modułu, VL53L3CX może również wykrywać różne obiekty w polu widzenia (FoV) dzięki zrozumieniu głębi. Algorytmy histogramu ST zapewniają odporność na przesłuchy szkła pokrywy powyżej 80 cm oraz dynamiczną kompensację smug. Układ jest dostępny w małej obudowie, ułatwiającej integrację układu. Emiter laserowy, matryca odbiorcza SPAD i mikrokontroler są połączone w jednym module i mogą być zakryte różnymi materiałami pokrywającymi w różnych kolorach, co ułatwia kreatywne projektowanie. W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników zbliżeniowych na podczerwień, VL53L53CX nie jest wrażliwy na współczynnik odbicia, materiał i kolor badanego obiektu. 

Kolejnym nowo wprowadzonym modelem czujnika ToF jest VL53L1CB. Maksymalna odległość, z której opisywany czujnik może wykryć kolor lub materiał celu, wynosi 8 m. Algorytm histogramu STMicroelectronics umożliwia też wykrywanie różnych celów w polu widzenia. Algorytm ma również zdolność odporności na przesłuchy szkła osłonowego powyżej 80 cm. Wybór strefy macierzy SPAD jest dostosowane do zaawansowanego skanowania wielostrefowego. VL53L1CB ma również programowalne pole widzenia od 15 ° do 27 °, w zależności od rozmiaru obszaru macierzy SPAD.

 © Arrow Electronics

Odczyt wielostrefowy otwiera nowe możliwości 

Niedawno firma STMicroelectronics wprowadziła laserowy czujnik odległości VL53L5 ToF, który jest pierwszym na świecie wielofunkcyjnym, wielostrefowym, bezpośrednim modułem czasu przelotu (direct time-of-flight, DTOF). Układ dostępny jest w miniaturowej obudowie dostosowanej do procesu reflow, i podobnie jak inne konstrukcje z tej rodziny integruje matrycę SPAD, fizyczny filtr podczerwieni i dyfrakcyjne elementy optyczne (DOE) oraz aby osiągnąć optymalną wydajność w różnych warunkach oświetlenia otoczenia wykorzystuje różne materiały szklane pokrywające.

Dzięki technologii FlightSense czwartej generacji, VL53L5CX może obsługiwać 64 strefy w zakresie do 15 klatek na sekundę, ma rozbudowane wyjście odczytu stref 8X8/64, z maksymalnym polem widzenia 61 stopni i może identyfikować odległość do wielu obiektów . Wszystkie poprzednie modele FlightSense były układami jednostrefowymi, podczas gdy VL53L5CX to zupełnie nowy produkt ToF z wykrywaniem wielostrefowym. Moduły jednostrefowe skupiają się na prostych akcjach włączania/wyłączania, podczas gdy urządzenie wielostrefowe daje więcej możliwości. Na przykład rozpoznawanie gestów obejmuje bardzo złożone ruchy, więc nie jest to tylko rozpoznawanie obecności w jednej strefie. 

Jako produkt czwartej generacji, VL53L5CX został zmodernizowany pod względem procesowym. Wszystkie produkty poprzedniej generacji wykorzystują procesy 65 lub 90 nm, podczas gdy VL53L5CX wykorzystuje proces 40 nm. Redukcja oznacza, że aby spełnić wymagania detekcji wielostrefowej, więcej diod i obwodów może być umieszczonych na tym samym obszarze. Detekcja wielostrefowa wymaga wyprowadzenia większej liczby fotonów w tym samym czasie, ponieważ jeśli na przykład używasz 64 punktów, musisz wyprowadzić informacje o 64 punktach w tym samym czasie. W przypadku stosowania detekcji wielostrefowej, niezbędne jest zastosowanie MCU, umieszczonego bezpośrednio na module czujnika.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow Electronics