Jste zde

3D kamera nebo LiDaR s technologií ActLight DPD

Antonín Vojáček, 16. Listopad 2020 - 19:41

DPD technologie fotodiody švýcarské technologické firmy ActLight je novým moderním řešením, jak snadno na CMOS čipu v IoT aplikacích realizovat LiDaR či 3D kamery s vysokým rozlišením, s citlivostí na jednotlivé fotony světla a současně s velkou odolností proti vysokým intenzitám okolního osvětlení. A to díky dynamickému ovládání citlivosti fotodiody a digitálnímu principu měření.

Jednou z největších novinek posledního měsíce je informace, že švýcarská technologická společnost ActLight výrazně pokročila ve vývoji své patentované technologie nízkonapěťové laditelné CMOS fotodiody s rozlišení jednotlivých fotonů světla. Tato technologie se dá velmi dobře využít pro realizaci velmi přesného LiDaR skeneru či 3D kamery pro chytré telefony, kde umožňuje přesnou spolehlivou funkci skenování i za velmi vysoké úrovně okolního světla i při použití jen slabého zdroje světelného skenovacího paprsku. Například naskenovat tvář uživatele telefonu jako tzv. Face Recognition pro jeho identifikaci a odemknutí telefonu či v nových aplikacích i rozpoznání gest tváře za jakýchkoliv okolních světelných podmínek. Stejně kvalitní funkce za tmy i za velmi vysoké intenzity okolního světla a současně možnost použít malý nízkopříkonový zdroj paprsku LiDARu je právě schopnost DPD fotodiody s možností řízení její snímací citlivosti stejnosměrným napětím.

Technologie ActLight DPD

Patentovaná ActLight technologie tzv. dynamické fotodiody DPD (za anglického Dynamic PhotoDiode) přináší mnoho nových možností v oblasti optické detekce a také skenování prostoru. Tradiční fotodiody pracují s konstantním závěrným napětím PN přechodu, díky němuž (zjednodušeně řečeno) při dopadání světla fotodioda generuje volné elektrony jako volné nosiče náboje a při zapojení do elektrického obvodu tak generuje slabý elektrický proud jako výstupní el. signál. Velikost hodnoty tohoto el. proudu je pak úměrné množství dopadajícího světla. Typicky tento tzv. fotoelektrický proud je velmi slabý je nutné jen co nejdříve zesílit, přičemž okolní elektromagnetické pole i samotný zesilovač přidává k takto slabému signálu určitou míru aditivního šumu. To zvláště při slabém osvětlení fotodiody a tedy extrémně nízkém výstupním signálu znemožňuje kvalitní detekci.

Technologie DPD však místo pevně daného závěrného napětí pracuje v tzv. pulsním režimu, kdy se na PN přechod přivádí pulsní stejnosměrné napětí, které přepíná fotodiodu ze závěrného režimu na dopředného. Toto dopředné vychýlení vytváří ve fotodiodě velký dopředný el. proud po určitém přesně definovaném časovém zpoždění, tzv. spouštěcím čase (trigger time). Důležité je, že tento čas je úměrný intenzitě světla dopodajícího na fotodiodu. Tedy místo měření hodnoty el. proudu, který je úměrný intenzitě světla u klasické fotodiody, se zde u DPD fotodiody měření doba zpoždění hrany pulsu dopředného el. proudu za náběžnou hranou přiloženého dopředného napětí na fotodiodu. Není tedy nutné nijak zesilovat a měřit zašuměný elektrický signál, ale jen bez potřeby jakéhokoliv zesílení měřit čas zpoždění náběžných hran dopředného el. napětí a velkého dopředného el. proudu. To lze provádět daleko přesněji a tak bez problémů detekovat i jednotlivé fotony světla dopadající na fotodiodu a výstup DPD fotodiody lze přímo připojit na digitální vstup digitálních obvodů. Tedy navíc odpadá i potřeba použití A/D převodníku. Tedy další ušetření další komponenty, která obvykle přináší do měření významné nepřesnosti.

DPD technologie měří zpoždění "nástupu" proudu po změně napětí na diodě.

Navíc velikostí hodnoty přivedeného pulsního el. napětí lze současně měnit i citlivost fotodiody na intenzitu světla, takže lze pomocí samoregulační smyčky ladit napětí tak, aby fotodioda nebyla nikdy zcela "oslepena" příliš vysokou intenzitou okolního světla při současném zachování vysoké citlivosti i za tmy. Dá se tedy říci, že měřící rozsah lze dynamicky regulovat a z toho vychází i DPD označení technologie.

Díky použití 180 nm CMOS technologie lze navíc DPD fotodiody jako snímací senzory přímo integrovat jako na čipy integrovaných obvodů. Bez nutnosti použití zesilovače a A/D převodníku pak klesá i možná velikost a výrobní náklady SoC obvodů.

Výsledné hlavní výhody DPD technologie fotodiody:

Vysoká citlivost - citlivost lze zvýšit až na úroveň jednotlivých fotonů jako u SPAD fotodiod (Single Photon Avalanche Diod).
Nízké napětí - fotodioda nepožaduje žádné vysoké el. napětí (jen 1 až 2 V DC) = lze použít napájecí napětí SoC obvodu.
Nízká cena - DPD fotodiodu lze integrovat CMOS technologií na společný čip SoC obvodu.
Digitální výstup - pulsní výstup, kde se neměří hodnoty el. napětí a proudu, ale jen jejich vzájemné zpoždění.

Možnosti použití DPD technologie

Výhody technologie DPD lze využít pro zlepšení funkce, odolnosti, miniaturizaci a snížení spotřeby jakékoliv optické detekce světla a světelných paprsků, zejména v IoT nositelných bateriově napájených zařízení. Například v následujících oblastech:

Biometrické senzory

Již několik let roste všeobecně poptávka po nositelných měřících aplikací monitorování zdravotního stavu. V případě optických biometrických senzorů se vysílané světlo LED diody odráží od části těla zpět do světelného přijímače (fotodiody) a podle intenzity světla odraženého světla se vyhodnocují různé parametry. Například na tepně zápěstí lze tímto způsobem z měření odrazivosti / pohlcení světla v krvi nepřímo měřit parametry / stav krevního oběhu, jako jsou tepová frekvence, krevní tlak a okysličení.

Použitím DPD technologie fotodiody přijímače takového biometrického senzoru lze výrazně snížit výkon vysílače paprsku světla při zachování či případně i zvýšení měřící citlivosti v porovnání s provedením s konvenční fotodiodou v přijímači odraženého paprsku. Výsledkem je nižší el. spotřeba vysílače a tedy i delší životnost na stejně velkou baterii nebo možnost zmenšení její velikosti. Vypuštěním zesilovače a A/D převodníku na čipu senzoru lze snížit velikost senzoru či jeho náklady na výrobu.

3D ToF kamery pro mobilní aplikace

S rostoucím rozmachem 3D měření prostoru a záznamu 3D obrazu je nutné zajistit kvalitní a snadnou integraci do mobilních aplikací. Základní metodou 3D měření prostoru je technika měření doby "letu" odraženého světelného paprsku, tzv. Time-of-Flight (ToF). Zejména v případě malých bateriově napájených zařízeních je v tomto případě velmi limitujícím faktorem velikost a výkon vysílače světelného paprsku, jednak kvůli velikosti zařízení a pak také kvůli jeho elektrické spotřebě (tedy dimenzování velikosti akubaterie). U současných 3D kamerových senzorů je zmenšování velikosti pixelů limitována komplexností potřebných analogových obvodů, který jejich signál musí zpracovávat.

Použití DPD technologie pak umožňuje snížit velikost pixelů senzoru až pod 5 mikrometrů a snadnou integraci na společný CMOS substrát čipu kamerového senzoru. Tím lze případně i zvýšit počet pixelů na čipu.

LiDaR

Systém označený jako LiDaR (Light Detection and Ranging) se využívá pro laserové měření hloubky prostoru, tedy pro skenování povrchu prostoru či předmětu rozmítaným laserovým paprskem. Opět se zde využívá technologie měření doby letu odraženého paprsku ToF. Ze známého hodnoty rychlosti světla pak lze měřený čas přepočítat na hodnotu vzdálenosti. Zatímco 3D ToF kamera je schopna snímání na krátké vzdálenosti nejbližšího okolí, LiDaR díky využití úzkého laserového paprsku umožňuje přesné skenování i velmi vzdáleného prostoru. Zde však odražený a do optického přijímače příchozí paprsek již bývá velmi slabé intenzity. Proto je nutné na přijímači zajistit schopnost velmi citlivou detekci laserového paprsku současně i za velmi vysokých intenzit okolního umělého i slunečního osvětlení.