TOF 레이저거리 센서

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TOF
1. 라이더(Lidar)에 적용되는 방식이다.
2. 자료
  1. - 6p
3. 측정원리
  1. 초당 30만km를 이동하는 빛 검출을 시간차이로 검출한다.
  2. 640x480 픽셀 해상도 카메라에서 20프레임 촬영을 하면 640x480x20=610만번/초 샘플링을 한다.
  3. 능동 IR 광원을 초당 수천번 깜박거리는데 광 펄스 폭을 몇 나노초로 한다.
    1. 광펄스가 생성되는 정확한 순간에 제어장치에서 전사셔트를 개폐하여 그 사이 시간을 통과하는 광(반사광)에 의한 CCD에 전하가 생성된다.
    2. 그런 뒤 제어장치에서 두 번째 광원을 켰다고 끈다. 이 때는 전자셔터는 광원이 꺼지는 시점에 열린다. 이 때 통과하는 광(반사광)도 센서에 전하가 생성된다.
    3. 이 전하 강도의 비율로 실제 거리를 계산할 수 있다.
      1. c:광속, tp:광펄스 지속시간, S0:초기셔터에서 수집된 전하, S1:두번째 셔터에서 수집된 전하
      2. 거리d = c/2 x tp x S1/(S0+S1)
    4. S1에서 전하가 수집되지 않으면 거리 d=0이 된다.
    5. S0에서 전하가 수집되지 않으면 거리 d=c/2 x tp가 최대 측정 가능 거리가 된다.
      1. tp=47nsec이면 최대 7m까지 측정가능하다.
  4. 매우 빠른 제어를 위해서는 PLD, FPGA를 사용한다.
4. 데이터시트
  1. Espros, TOF>range 611
  2. Renesas ISL29501, Time of Flight (ToF) Signal Processing IC - 22p
완제품
1. Garmin Lidar Lite V3
  1. 사용메뉴얼 - 14p
  2. 외형
    - Garmin, Lidar-Lite V3
  3. 분해
    - LCMX02 4000HC, Lattice MachXO2 CPLD, 65nm, look-up table 4320
  4. 발광 및 수광소자 위치
    - 왼쪽이 발광용 IR LD와 오른쪽이 수광용 포토다이오드
  5. 발광용 IR LD 레이저 다이오드
    1. 회로기판에서
      - LD에서는 뒤로도 레이저가 나오므로, 출력된 파워를 검출하기 위한, 검은색 IR 포토다이오드
    2. Au 볼 와이어본딩된 IR 레이저 다이오드
      - 칩 단면에 대해 수직 방향으로 레이저가 나온다.
  6. 수광소자인 포토다이오드
    1. 사진에서 왼쪽에 IR 통과 광학필터가 있다.
      - 발광용 IR 레이저 파장만을 통과시킨다.
    2. 실드 깡통 속에는, 수광소자 및 앰프가 있다.
      - (매우 파워가 낮은 반사된 IR 검출하기 위한) 포토다이오드 및 앰프 회로
      - 뒤에서 본 포토다이오드
      - 앞에서 본 IR 포토다이오드
발견
1. 2015.06 출시 LG-F570S LG Band Play 스마트폰
  1. 전체
    - 발광부와 수광부를 차단하여 격리를 높인다.
    - 발광부 뚜껑 두께를 달리하고 있다. VCSEL 부근에서는 틈 높이를 낮추고 있다.
  2. 다이 사진 및 다이본딩 와이어본딩 사진
    - 오른쪽 작은 다이가 VCSEL
    - Au 볼 와이어본딩
  3. ST microelectronics BBYBRPAA, Time-of-Flight(TOF) proximity and ranging sensor
    - L 형태를 갖는 더미 필 패턴
  4. 발광
    1. VCSEL
      - mesa(꼭대기가 평탄하고 주위가 급경사를 이룬 탁상지)
      - 최대 외경 32um, 최소 내경: 12um
    2. VCSEL 옆에서 레이저 출력 파워를 검출하는(?) 있는 수광용 포토다이오드
      - 면적이 넓어서, L 형태를 갖는 더미 필 패턴로 채운 듯
  5. 수광 센서인 포토다이오드