ElektronikaB2B
Portal informacyjno-biznesowy branży elektronicznej

Nowy układ czujnika optycznego typu time-of-flight z rodziny FlightSense

czwartek, 29 marca 2018 11:52

ST Microelectronics wprowadził na rynek nową wersję czujnika z rodziny Flight Sense VL53L1 przeznaczonego do wykrywania obiektów poprzez pomiar czasu propagacji światła. Czujniki tego typu są przeznaczone do wykrywania obecności obiektów statycznych oraz nieemitujących ciepła i tym samym stanowią alternatywę popularnych rozwiązań bazujących na sensorach piroelektrycznych.

VL53L1 to czujnik zaliczany do trzeciej generacji sensorów ToF (Time of Flight), który w odróżnieniu od poprzednich wersji tym razem ma zintegrowany układ optyczny. W poprzednich dwóch generacjach aplikacja sensora wymagała uzupełnienia czujnika o zewnętrzne soczewki.

Dzięki temu aplikacja stała się znacznie prostsza, a dodatkowo polepszyła się zdolność czujnika do wykrywania obiektów złożonych, poprawiła się zdolność do eliminacji zakłóceń pochodzących od odbić i błyszczących powierzchni a także możliwość zaprogramowania wielu stref detekcji. Trzecia generacja czujnika ToF pozwala też dzięki wykonanym usprawnieniom na rozszerzenie obszaru aplikacyjnego na robotykę, drony, IoT oraz elektronikę noszoną (wearables).

Czujniki zbliżeniowe ToF

Układ pomiarowy typu time-of-flight - ToF mierzy czas, przez jaki światło pokonuje dystans od czujnika do obiektu umieszczonego przed nim i z powrotem. Ponieważ prędkość światła jest wartością stałą i niezmienną, zmierzony czas propagacji do obiektu i z powrotem.

Zaletą czujników time-of-flight jest wysoka precyzja pomiaru, niezależna od koloru i stopnia odbijania światła przez badany obiekt, z czym mają problem inne metody pomiarowe, na przykład te opierające się na pomiarze amplitudy w czujnikach zbliżeniowych.

Czujnik został umieszczony w obudowie LGA12 o wymiarach 4,9×2,5×1,56 mm i zawiera w niej podczerwony laser o emisji powierzchniowej (VCSEL - Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) o długości fali 940 nm oraz fotodiodę lawinową typu SPAD (Single Photon Avalanche Detector).

Rys. 1. Schemat blokowy czujnika VL53L1

Wbudowana w detektor soczewka i filtr podczerwieni odcinający światło widzialne zwiększają powierzchnię czynną i poprawiają czułość, a zintegrowany mikrokontroler realizuje pomiar w sposób minimalnie obciążający główny procesor aplikacyjny, zapewniając też niewielki pobór mocy, co jest istotne w aplikacjach zasilanych z baterii.

Cykl pomiarowy trwa 5 ms (czas repetycji 60 Hz), dzięki czemu za pomocą czujnika nie tylko można wykrywać obecność obiektów, ale także szacować prędkość zbliżania/oddalania.

W porównaniu do czujników ToF poprzedniej generacji zasięg detekcji wysłużył się dwukrotnie i wynosi obecnie 4,5 m, co jest bardzo istotne z punktu widzenia działania wielu układów takich jak systemy autofokus. Jest to bardzo istotna właściwość pozwalająca tworzyć z wykorzystaniem VL53L1 systemy rozpoznawania gestów (np. ruchów dłoni), a także pozwala na ocenę np., czy obiekt zbliża się do urządzenia, czy tylko koło niego przechodzi i w tym pierwszym przypadku wyświetlić ekran powitalny. Jest to też cecha pozwalająca za pomocą czujnika ToF tworzyć systemy bezpieczeństwa, np. blokujące automatycznie komputer i wygaszające ekran, gdy obsługa odejdzie od niego na chwilę.

Innowacyjna architektura czujnika może wykrywać wiele obiektów w polu widzenia, a także umożliwia podział matrycy detektora SPAD na strefy (2×2, 3×3, 4×4, oraz definiowane, niestandardowe przez użytkownika). Te małe obszary mogą następnie dostarczyć informacje o przestrzennym kształcie obiektu, które następnie aplikacja kliencka może wykorzystać do obliczeń mapy głębi lub w stereoskopii.

Warto dodać, że w odróżnieniu od innych rozwiązań czujnik ST Microelectronics jest niewrażliwy na kolor powierzchni obiektu i strukturę materiału, z którego jest wykonany. Potrafi też wykryć obiekt za szybą, co umożliwia tworzenie bezpiecznych aplikacji i odpornych na wpływ środowiska, gdzie elektronika jest ukryta za szybą ochronną.

W tym przypadku ważna jest też niewrażliwość działania na zabrudzenia powierzchni szkła, np. ślady palców, które nie przeszkadzają w działaniu. Czujnik pobiera małą moc - tylko 400 μW w stanie oczekiwania na pojawienie się obiektu. Z hostem łączy się za pomocą interfejsu I²C i może być obsługiwany za pomocą odpytywania linii GPIO lub poprzez system przerwań.

 

Powiązane artykuły