Time-of-Flight (ToF)-Sensoren werden zunehmend für eine Reihe von Steuerungsanwendungen im Fahrzeug verwendet, wie z. B. die Blick- und Kopfsituationsüberwachung des Fahrers. Es gibt mehrere Lichtquellen, die in TOF-Systemen für die Innenraumüberwachung verwendet werden können, wobei Light Transmitting Diodes (LEDs) und Vertical Cavity Surface Transmitting Lasers (VCSELs) zwei der führenden Lösungen sind.
Grundlagen der Flugzeit
Ein ToF-Gerät ist ein Sensor, der Lichtwellenlängen erfasst. Die Lichtwellen werden mit hohen Frequenzen – im unteren und höheren MHz-Bereich – moduliert und von einem interessierenden Objekt reflektiert. Ein Bruchteil des ursprünglichen Signals wird an den Sensor zurückgegeben und verarbeitet. Die Laufzeit vom Sender zum Objekt und zurück zum Empfänger bedeutet, dass dieses reflektierte Signal gegenüber dem modulierenden Signal phasenverschoben ist. Die Phasenverschiebung ist auch proportional zum Abstand, wodurch der Abstand des TOF-Sensors zum Objekt bestimmt werden kann.
Das TOF-Signal wird in Bursts emittiert, und jeder Burst enthält modulierte Pulse mit unterschiedlichen Phasen. Auf diese Weise können Sie Ausschnitte und Ungenauigkeiten aus den Messwerten entfernen. Kürzere Streifen verringern die Bewegungsunschärfe durch ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis. Längere erhöhen den absoluten Betrag des Rücksignals, wie z. B. Reichweite und Erkennbarkeit von schlecht reflektierenden Objekten in bestimmten Fällen.
Trotz der Vorteile von ToF-Systemen gibt es immer noch einige inhärente Herausforderungen. Der Erfassungsbereich von ToF-Sensoren hängt sowohl von der Modulationsfrequenz des Geräts als auch vom Signal-Rausch-Verhältnis ab. Nach der Kollision mit dem Objekt nimmt die Intensität des reflektierten Signals mit dem Quadrat der Entfernung ab, wodurch sie bei kürzeren Entfernungen genauer werden. Rauschen von ToF-Sensoren stammt aus intrinsischen Quellen, wie z. B. Rauschen vom Sensor und Rauschen von der Beleuchtung.
Melexis hat kürzlich die MLX75027 VGA- und MLX75026 QVGA-ToF-Sensoren vorgestellt, die mit niedrigeren Modulationsfrequenzen höhere und weniger zweideutige Auflösungen auf große Entfernungen erzielen können. Darüber hinaus sind die Sensoren für den Einsatz in Betriebsbereichen von -XNUMX bis XNUMX °C zertifiziert und damit für Automobilanwendungen geeignet. Aber nicht nur der Sensor ist bei diesen Messungen essenziell. Eine weitere wichtige Komponente ist die Beleuchtungseinheit, bestehend aus den lichtübertragenden Komponenten und der dazugehörigen elektronischen Treiberschaltung.
Bewältigung von Beleuchtungsherausforderungen
Die Beleuchtungseinheit von ToF-Sensoren ist von entscheidender Bedeutung, und wenn die richtige Komponente ausgewählt wird, kann sie dazu beitragen, das bei einigen Messwerten vorhandene Beleuchtungsrauschen zu überwinden. Infrarotlichtquellen (IR) bieten die beste Leistung. Heute gibt es zwei konkurrierende Festkörper-IR-Lichttechnologien, über die es sich zu sprechen lohnt. Dies sind die LEDs und die VCSELs. Wie jede Technologie haben beide Optionen inhärente Vor- und Nachteile.
Einerseits sind LEDs eine ältere Technologie, also ausgereifter. Der Massenfertigung von VCSELs wurde jedoch große Sorgfalt geschenkt. Damit können die beiden jetzt in großem Umfang in Hightech-Anwendungen integriert werden. Die beiden Technologien zeigen auch verwandte Stromtreiberfähigkeiten, und da das Beleuchtungsmuster eines VCSEL "LED-ähnlich" ist, ist die Augensicherheit der beiden Technologien vergleichbar.
LEDs haben in bestimmten Bereichen Vorteile gegenüber VCSELs. Das erste sind die Kosten. Derzeit sind LEDs kostengünstiger herzustellen als VCSELs. Trotzdem senken die Massenfertigungsopfer von VCSELs die Kosten, und dieser Vorteil wird immer geringer, bis zu dem Punkt, an dem er möglicherweise bald getestet werden muss. LEDs schneiden auch besser ab, wenn es um die Stabilität der Ausgangsleistung geht, während der Ausgang eines VCSEL um XNUMX Prozent empfindlicher auf Temperatur reagiert.
Es gibt auch einige Vorteile, die VCSELs gegenüber LEDs haben. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von VCSEL ist seine Unempfindlichkeit gegenüber Sonnenlicht. Umgebungslicht (wie Tageslicht und Scheinwerfer) kann LED-basierte Ortungsgeräte stören, da sie in einem breiten Phantom arbeiten. Da VCSELs mit einem schmaleren Phantom arbeiten, kann ein feineres Phantomfilter verwendet werden, was ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis, eine höhere Empfindlichkeit und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber variablen Umgebungsbedingungen, wie z. B. beim Autofahren, ermöglicht.
Obwohl LEDs ausgereifter sind, bieten die besten heute erhältlichen VCSEL-Geräte eine bessere Effizienz als die besten LEDs. Während LEDs eine höhere Ghost-Amplitude haben, ist die Ghost-Stabilität von VCSELs über einen breiteren Temperaturbereich viel besser. Schließlich haben VCSELs erheblich schnellere Anstiegs- und Abfallzeiten, sodass sie eine erheblich höhere Auflösung als LEDs erreichen können.
Während beide Lichtquellen ihre Vorteile haben, überwiegen bei Überwachungsanwendungen im Fahrzeug die Vorteile von VCSELs die von LEDs. Typischerweise liegt dies daran, dass VCSELs ein schmales Ausgangsphantom, einen niedrigen Phantomtemperaturfaktor und eine enorme Modulationsfähigkeit haben.
Auswahl eines VCSEL-Supervisors
Bei der Auswahl der idealen Beleuchtungsüberwachungselektronik für Ihre Anwendung müssen Sie viele Faktoren berücksichtigen, die alle von entscheidender Bedeutung sind.
Die erste Überlegung (und eine der wichtigsten für die Überwachung im Cockpit) besteht darin, zu prüfen, ob der VCSEL-Fahrer für den Automobilbereich qualifiziert ist. Es gibt mehrere ToF-Treiber auf dem Markt, aber nur wenige davon sind für die Automobilindustrie bestimmt. Der Treiber von Lumentum ist eine qualifizierte Lösung für Automotive-Anwendungen, aber die Verwendung einer Treiberschaltung mit Automotive-tauglichen Komponenten ist eine alternative Lösung.
Eine weitere zu berücksichtigende Sache ist die Lieferzeit, die idealerweise kurz sein sollte. Es gibt einige kostenlose Komponenten auf dem Markt – von Kondensatoren über Dioden bis hin zu Feldeffekttransistoren (FETs) – die für den Einsatz im Automobil bestimmt sind. Wenn leicht verfügbare Komponenten verwendet werden, kann ein Beleuchtungsprototyp in wenigen Wochen entworfen und hergestellt werden. Sie sollten auch überprüfen, ob das von Ihnen erstellte System Modulationsfrequenzen von bis zu 100 MHz verarbeiten kann.
Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist die Flexibilität des Designs. Die Verwendung umsichtiger Komponenten kann eine größere Flexibilität bieten und unterschiedliche Designanforderungen berücksichtigen. Diese Systeme können sich an die Fahrbedingungen, den Spitzenstrom oder den Pulsverlauf anpassen. Die Verwendung modularer Architekturen ermöglicht eine einfache Anpassung der Anstiegszeiten und eine Optimierung der Energieeffizienz des Treibers. Wenn außerdem proprietäre Komponenten anstelle eines Single-Chip-Treibers verwendet werden, kann häufig eine bessere Leistung erzielt werden, da die Treiberschaltung einen geringeren Widerstand hat. Für Automobilanwendungen kann dies verwendet werden, um den Treiber so abzustimmen, dass er höhere Spitzenströme verarbeiten kann.
Da die IR-Beleuchtungskomponente ein wesentlicher Bestandteil von ToF-Sensorsystemen ist, ist es wichtig, ein System mit geeigneten Wellenlängeneigenschaften für die beabsichtigte Anwendung auszuwählen. Dazu gehört die Bestimmung des richtigen Geisterbilds, der optischen Filterung und der Amplitudenmerkmale, die die Hintergrundsonnenstrahlung im Fahrzeug blockieren, während sich die Sonnenstrahlung in der Kabine bei verschiedenen Fahrzeugtypen ändert.
Schließlich ist Augenschutz bei jedem Instrument, bei dem eine Lichtquelle vorhanden ist, unerlässlich. Laservorschriften müssen gemäß der Lasersicherheitsregel IEC 1-2014:XNUMX angewendet werden. Dies ist ein komplexer Bereich, in dem Sie navigieren müssen, aber lange Rede kurzer Sinn, es gibt viele Aspekte, die Sie berücksichtigen müssen. Darunter die Sicherheitsklasse des Lasers, die Helligkeit der Quelle, die Form der Lichtquelle und wie sie auf der Netzhaut des Auges einer Person angezeigt wird, die Helligkeit des Lichts in verschiedenen Winkeln, der Durchmesser der Pupille des Auge der Personen, die das Instrument verwenden (weitere Pupillen lassen mehr Licht durch), die Wellenlänge des Lasers, die maximalen und minimalen Entfernungen von der Quelle und die durchschnittliche Leistung des Lasers (auch wenn der Laser gepulst ist).
Fahrersteuerung im Fahrgastraum
Es gibt mehrere Bereiche, in denen ToF-VCSEL-Systeme zur Inspektion des Fahrers in Fahrzeugkabinen eingesetzt werden können, um ein höheres Maß an Komfort und Sicherheit zu bieten. Einerseits können diese Systeme verwendet werden, um die Ablenkung des Fahrers zu überwachen und vor Müdigkeit zu warnen. Darüber hinaus kann derselbe Sensor gleichzeitig verwendet werden, um die Kabine direkt zu inspizieren und die Position von Kopf und Körper für die Airbagsteuerung zu messen. Derselbe Sensor kann auch Zusatzfunktionen wie Gestensteuerung übernehmen. Obwohl diese Sensorsysteme eine einzige Kamera oder eine Reihe von Kameras verwenden können, ist somit nur ein einziges Sensorsystem zur gleichzeitigen Überwachung des Fahrer- und Fahrgastraums erforderlich.
Mehr Sicherheit für alle
Die Kombination aus ToF-Sensoren zur gleichzeitigen Überwachung des Fahrzeuginnenraums und des Fahrers und der Fähigkeit, stark reflektierende und nicht reflektierende Objekte zu erkennen, gibt dem Fahrer ein deutlich sicheres Fahrgefühl. Diese Systeme hängen nicht nur von der Empfindlichkeit des Sensors selbst ab, sondern vielmehr von der Effizienz der Lichtquelle. Während LEDs schon eine Weile länger auf dem Markt sind, sind die Vorteile, die VCSELs bieten, weitaus größer, und da viele Opfer in die Großserienfertigung von VCSELs geflossen sind, sollten sie auch aus industrieller Sicht bald die klare Wahl sein nicht nur aus Leistungssicht.
