ST VL53L5CX Modul snímače chvění
Pokyny pro krycí sklo vícezónového senzoru VL53L5CX Time-of-Flight 8×8 s širokým polem view
Zavedení
Cílem této aplikační poznámky je poskytnout pokyny pro průmyslový vzor a způsob hodnocení kvality krycího skla. Podrobně popisuje doporučení ST pro výběr krycího skla a požadavky na design pro minimalizaci přeslechů a optimalizaci systému.
Obecné informace
VL53L5CX je 8×8 vícezónový senzor doby letu (ToF) s širokým polem view (FoV).
Krycí sklo je obvykle neprůhledné okénko s potahovou vrstvou, která obsahuje otvory umožňující vyzařování a příjem infračerveného světla. Otvory mohou být buď jeden oválný otvor nebo dva kruhové otvory. Krycí skla jsou často potažena filtrační fólií, která je obvykle uložena na spodní straně okna.
Krycí sklo slouží ke dvěma hlavním účelům:
- fyzická ochrana zařízení včetně prevence vnikání prachu
- optické filtrování
Krycí sklo lze použít i pro estetické účely. Z tohoto důvodu je možné na krycí vrstvě vytvořit dva stejně velké otvory umístěné na horní straně vysílače a přijímače. V případě potřeby však lze otvor pro přijímač zmenšit (další podrobnosti viz část 4 Mechanické pokyny pro krycí sklo).
Obrázek 2. Kritické cesty přeslechů představuje systém VL53L5CX v typické aplikaci. Krycí sklo je umístěno na horní straně modulu a mezi nimi je ponechán prostor. Tento prostor se obecně nazývá vzduchová mezera a měří se v mm. Experimentální data ukazují, že zvětšení velikosti vzduchové mezery vede ke zvýšení:
- přeslechový signál
- ztráta signálu
Systémové přeslechy
VL53L5CX je zařízení s širokým FoV, které umožňuje vysoký příjem signálu přicházejícího z cíle. Současně je v poli přijímače přítomen přeslechový signál. Přeslech je definován jako světlo vycházející z vysílače modulu a neodrážené cílem, které však sleduje alternativní, nežádoucí cesty, aby dosáhlo přijímače. Z tohoto důvodu přeslechový signál nepřináší od cíle žádné užitečné informace (jako je vzdálenost a odrazivost) a musí být minimalizován. Přeslechová optická dráha je krátká, takže přeslechový puls se jeví blízko nulové vzdálenosti/zpoždění. Množství přeslechů závisí na optickém nastavení, geometrii krycího skla a vlastnostech. Přeslechy se mohou během životnosti produktu také lišit v důsledku škrábanců nebo nečistot na krycím skle.
Obrázek 2. Kritické cesty přeslechů
Obrázek výše ukazuje typické optické dráhy, které může světlo vystřelené emitorem sledovat, než dosáhne pole přijímače.
Hlavní zastoupené cesty jsou:
- cílová signálová cesta, označená 1 na obrázku výše
- dráha přeslechového signálu uvnitř krycího skla, označená 2 na obrázku výše
- dráha přeslechového signálu uvnitř vzduchové mezery, označená 3 na obrázku výše
Cílem konečného návrhu aplikace je minimalizovat přeslechové signály a maximalizovat cílový signál a vyhýbat se jakýmkoli překážkám nebo útlumům na jeho cestě.
Obecně se signál přeslechu zvyšuje s tloušťkou krycího skla. Pro minimalizaci přeslechového signálu se doporučuje použít nejtenčí dostupné krycí sklo. K přerušení přeslechové cesty šířící se krycím sklem se doporučuje použít světelný blokátor, jak je znázorněno na obrázku níže.
Přeslechový signál se snižuje, když se zmenšuje velikost vzduchové mezery, další podrobnosti naleznete v části 6 Závěr a souhrnná tabulka. Proto se doporučuje mít co nejmenší vzduchovou mezeru.
Pro přerušení přeslechové cesty šířící se vzduchovou mezerou se doporučuje použít těsnění. Doprostřed prostoru vzduchové mezery lze umístit specifický tmavý materiál, jako je neopren, aby se přerušila přeslechová světelná dráha (Yoder, PR, Opto-Mechanical Systems Design, 3. vyd., CRC Press, 2006 a Harris, DC, Materiály pro infračervená skla and Domes, Properties and Performance, SPIE Press, Bellingham, 1999).
Pro vzduchové mezery >0.7 mm je nutné těsnění, které zajistí udržení úrovně přeslechového signálu pod maximálním doporučeným limitem 100 kcps.
Přeslechový efekt má několik negativních dopadů, jako je zvýšení:
- ztráta signálu
- rozsahová nelinearita
- rozsah standardní odchylky
Kromě toho je přeslechový signál závislý na teplotě stejně jako cílový signál. Obecně platí, že přeslechový signál se zvyšuje s rostoucí teplotou.
Obrázek 3. Konečná konfigurace aplikace VL53L5CX
Odolnost proti přeslechům VL53L5CX
Pro využití plného výkonu zařízení obsahuje ovladač VL53L5CX funkci kalibrace vyhrazenou pro kompenzaci přeslechů. Kalibrace přeslechů musí být provedena jednou na výrobní lince zákazníka. Tento postup kalibrace je nutné provést, aby se kompenzovalo roztažení krycího skla mezi jednotlivými díly, které může ovlivnit výkon zařízení. Kalibrační data uložená v hostiteli musí být načtena do modulu VL53L5CX při každém spuštění, aby se na získaná měření použila kompenzace přeslechů. Kalibrační data lze načíst do modulu VL53L5CX pouze pomocí vyhrazené funkce ovladače.
Design krycího skla
Přeslechový signál je velmi citlivý na design a strukturu krycího skla. Výrobní vlastnosti krycího skla ovlivňují jev rozptylu světla a následně přeslechy, jak je znázorněno na obrázku níže. Například částice a krystalové defekty zapuštěné uvnitř krycího skla zvyšují rozptyl světla. Podobně topografie povrchu krycího skla a drsnost povrchu ovlivňují přeslech.
Aby se předešlo efektu rozptylu světla a snížil se přeslechový signál, krycí sklo by mělo být vyrobeno tak, aby mělo:
- žádné vady v krystalové struktuře nebo na povrchu povrchové vrstvy
- žádné nečistoty nebo dislokace uvnitř konstrukce
- žádné šmouhy nebo povrchní artefakty
Obrázek 4. Rozptyl světla exampkvůli vnitřním defektům nebo povrchové drsnosti
Optický přenos
Z optického hlediska viewKrycí sklo musí umožňovat přenos IR světla vyzařovaného modulem VCSEL při 940 nm s 1.6 nm při plné šířce při polovičním maximu (FWHM) a přijímaného polem SPAD zabudovaným uvnitř modulu. V této šířce pásma je požadována optická propustnost krycího skla vyšší než 87 %.
Níže uvedená tabulka ukazuje odhadovaný vývoj maximální vzdálenosti přes propustnost:
Tabulka 1. Vývoj maximální vzdálenosti
| Propustnost [%] | Odhadovaná maximální vzdálenost [mm] (1) |
| 100 | 4000 mm |
| 90 | 3800 mm |
| 80 | 3600 mm |
| 70 | 3400 mm |
| 50 | 3000 mm |
| 20 | 2400 mm |
Examprežim 4×4, tmavé podmínky, bílá 88% odrazivost cíle, rozsahová frekvence 30 Hz, s výchozím nastavením ovladače
Všechny signály, které nepřenáší krycí sklo, se ztratí nebo se mohou potenciálně změnit v přeslechy. Ztráta
signál přímo ovlivňuje výkon modulu VL53L5CX a maximální dosah. Doporučuje se mít co nejvyšší propustnost krycího skla.
Povlak krycího skla
Krycí skla jsou běžně potažena různým materiálem pro různé účely.
- Barevný inkoust z estetických důvodů
- IR filtr pro odříznutí veškerého nežádoucího světla v IR přenosu. Normálně je vrstva filtru nanesena na zadní straně okna.
- ARC: antireflexní vrstva pro snížení odrazivosti povrchu.
- AFC: povrchová úprava proti otiskům prstů pro zvýšení ochrany otisků prstů.
Je důležité si uvědomit, že povrchová vrstva může generovat další přeslechové signály. Ve skutečnosti by jakákoli propustná vrstva nanesená na krycím skle mohla působit jako optická dráha pro vedení přeslechového světla z vysílače do přijímače.
Poznámka:
Kdykoli je to možné, vyhněte se použití jakéhokoli povlaku krycího skla, alespoň ve vyloučených oblastech definovaných v části 4 Mechanické pokyny pro krycí sklo. Doporučuje se používat vnější nátěry, které nesnižují imunitu vůči otisku prstu (napřample, anti-fingerprint nebo antireflexní vrstvy s funkcí anti-fingerprint), aby se omezil efekt rozmazání nebo ztráta signálu.
Opar
Zákal je definován jako procentotage světla, které se při průchodu určitým materiálem odchyluje od dopadajícího paprsku v průměru o úhel větší než 2.5 stupně.
Přeslechový signál se experimentálně zvyšuje s druhou mocninou percentilu zákalu. Doporučuje se mít zákal menší než 2 % z celkového vyzařovaného světla (1 %, 940 nm IR).
Sklon krycího skla a rovnoběžnost povrchu
Horní a spodní povrch krycího skla musí být rovnoběžné s povrchem zařízení. V ideálním případě je třeba se vyhnout jakémukoli naklonění krycího skla, aby se snížily přeslechové signály.
Pokud mechanická omezení vyžadují naklonění zařízení, musí uživatel zajistit, aby maximální přeslech byl pod 100 kcps. Doporučený maximální sklon je uveden v tabulce 4. Pokyny pro krycí sklo a souhrnná tabulka.
Krycí skleněné materiály
Pro provedení krycího skla se doporučuje jeden materiál; více materiálů může změnit výkon nebo zvýšit účinek vnitřního rozptylu světla. Doporučené materiály jsou:
- Sklo
- Safírové sklo
- Polymethylmethakrylát (PMMA)
- Polykarbonát
Mechanické pokyny krycího skla
Tato část poskytuje informace o geometrických rozměrech modulu VL53L5CX nezbytných pro výpočet minimálních rozměrů otvoru potahové vrstvy krycího skla. Viz obrázek níže.
- Mechanický otvor přijímače je kruhový o průměru 0.51 mm (plocha 0.4086 mm2).
- Mechanický otvor emitoru je obdélníkový o šířce 0.72 mm a výšce 0.80 mm (plocha
0.576 mm2). - Vzdálenost mezi středem optického vysílače a středem optického přijímače je 4 mm, jak je uvedeno na obrázku níže.
- Volitelně je možné mít jeden velký otvor krycího skla nebo dva samostatné otvory. Konečné rozhodnutí je částečně estetické, částečně funkční. Dva otvory mohou nabídnout lepší odolnost proti přeslechům, zejména v konstrukcích bez těsnění.
Poznámka:
Je důležité zarovnat apertury s optickými středy VCSEL, jak je uvedeno výše. Nejsou stejné jako mechanická centra. Další mechanické podrobnosti naleznete v datovém listu.
Pro návrh konečných rozměrů se zpočátku předpokládá, že budou mít pravoúhlé otvory s velikostí zde pojmenovanou aR, bR na straně přijímače a aT, bT na straně vysílače. Úhlopříčky těchto obdélníků představují průměry, zde nazývané dR a dT, kruhových otvorů, které jsou vytvořeny v povlaku krycího skla. Otvory krycího skla jsou soustředně vyrovnány s otvory modulu (viz obrázek níže).
Obrázek 7. Přample povlaku krycího skla s jednoduchým otvorem
Na základě znalosti vylučovacího kužele kolektoru modulu VL53L5CX, 61º ve směru y a 55.5º ve směru x (další podrobnosti viz obrysový nákres modulu VL53L5CX), je možné vypočítat minimální otvory krycího skla pomocí následujícího vzorce. Viz níže uvedené obrázky jako reference pro výpočet.
Obrázek 8. Otvor Tx krycího skla ve směru x
aT, odpovídající vylučovacímu kuželu kolektoru 55.5º, lze vypočítat podle následujícího vzorce.
Podobně bT, odpovídající 61° vylučovacího kužele kolektoru, lze vypočítat následovně.
Průměr opsané kružnice, která zakrývá pravoúhlý otvor v krycím okénku, lze vypočítat takto:
Podobné vzorce lze napsat pro stranu Rx, přičemž předchozí TxPyramidApex = 0.63 mm se nahradí RxPyramidApex = 0.45 mm. Při použití krycího okénka s jednou clonou (viz obrázek 7. Napřample povlaku krycího skla s jedním otvorem), dva rozměry otvoru se nazývají W (šířka) a L (délka). Přidáním tolerance t = 200 µm na každou stranu modulu je možné vypočítat W následovně.
Pomocí dT, protože je větší než dR, je možné vypočítat L pomocí následujícího vzorce.
Tabulka 2. Výpočet rozměrů krycího skla uvádí všechny výsledky vypočtené pomocí různých rozměrů vzduchové mezery uvedených v prvním sloupci.
Tabulka 2. Výpočet rozměrů krycího skla
| vzduchová mezera | aT | bT | dT | aR | bR | dR | W | L |
| 0 | 1.1890 | 1.3312 | 1.7849 | 0.9996 | 1.1192 | 1.5006 | 6.0428 | 2.1849 |
| 0.15 | 1.3469 | 1.5080 | 2.0219 | 1.1575 | 1.2959 | 1.7376 | 6.2797 | 2.4219 |
| 0.2 | 1.3995 | 1.5669 | 2.1009 | 1.2101 | 1.3548 | 1.8165 | 6.3587 | 2.5009 |
| 0.3 | 1.5047 | 1.6847 | 2.2588 | 1.3153 | 1.4726 | 1.9745 | 6.5167 | 2.6588 |
| 0.4 | 1.6099 | 1.8025 | 2.4168 | 1.4205 | 1.5904 | 2.1325 | 6.6746 | 2.8168 |
| 0.5 | 1.7152 | 1.9203 | 2.5747 | 1.5258 | 1.7082 | 2.2904 | 6.8326 | 2.9747 |
| 0.8 | 2.0308 | 2.2737 | 3.0486 | 1.8414 | 2.0617 | 2.7643 | 7.3065 | 3.4486 |
| 1 | 2.2413 | 2.5093 | 3.3645 | 2.0519 | 2.2973 | 308002 | 7.6224 | 3.7645 |
Rozměry předpokládají tloušťku krycího skla 0.5 mm a uvedený rozměr je na horní straně skla.
Tento výpočet zahrnuje 2º úhlové tolerance (tolerance θ) navíc k vylučovacímu kuželu kolektoru (viz obrázek níže), potom jsou výsledky výpočtu uvedeny v tabulce 3. Výpočet krycího skla s tolerancí 2 stupně.
Obrázek 10. Otvor Tx krycího skla s tolerancí úhlu ve směru x
Tabulka 3. Výpočet krycího skla s tolerancí 2 stupňů
| vzduchová mezera | aT | bT | dT | aR | aR | bR | dR | W | L |
| 0 | 1.2399 | 1.3849 | 1.8589 | 1.1643 | 1.0424 | 1.1643 | 1.5628 | 6.1108 | 2.2589 |
| 0.15 | 1.4045 | 1.5688 | 2.1056 | 1.3482 | 1.2070 | 1.3482 | 1.8095 | 6.3576 | 2.5056 |
| 0.2 | 1.4593 | 1.6301 | 2.1879 | 1.4094 | 1.2618 | 1.4094 | 1.8918 | 6.4398 | 2.5879 |
| 0.3 | 1.5690 | 1.7526 | 2.3524 | 1.5320 | 1.3715 | 1.5320 | 2.0563 | 6.6043 | 2.7524 |
| 0.4 | 1.6788 | 1.8752 | 2.5169 | 1.6546 | 1.4813 | 1.6546 | 2.2208 | 6.7688 | 2.9169 |
| 0.5 | 1.7885 | 1.9977 | 2.6814 | 1.7771 | 1.5910 | 1.7771 | 2.3853 | 6.9333 | 3.0814 |
| 0.8 | 2.1177 | 2.3654 | 3.1749 | 2.1448 | 1.9202 | 2.1448 | 2.8788 | 7.4268 | 3.5749 |
| 1.0 | 2.3371 | 2.6105 | 3.5039 | 2.3899 | 2.1396 | 2.3899 | 3.2078 | 7.7558 | 3.9039 |
Rozměry předpokládají tloušťku krycího skla 0.5 mm a uvedený rozměr je na horní straně skla.
Pokud krycí okénko není rovnoběžné s povrchem modulu VL53L5CX, může dojít k určitému sklonu nebo naklonění, jak je znázorněno na obrázku níže.
Obrázek 12. Rozteč krycího skla nebo rotace role
V případě otáčení a otáčení krycího okénka se velikost a tvar otvorů změní, jak je znázorněno níže, a je nutné je přepočítat.
Výpočet může být v případě potřeby poskytnut v samostatném dokumentu. Další informace získáte od své kanceláře zákaznické podpory ST.
Obrázek 13. Tvary otvorů s rotací krycího skla
Kompenzace přeslechů
- Kompenzace přeslechů je funkce zabudovaná ve firmwaru VL53L5CX. Umožňuje kompenzaci přeslechového efektu na základě výsledků charakterizace a kalibračních dat. Postup pro charakterizaci přeslechů je podrobně popsán v uživatelské příručce VL53L5CX (UM2884).
- Obecně platí, že čím nižší je přeslech, tím snáze se kompenzuje. Navíc platí, že čím menší jsou odchylky v přeslechu v důsledku šmouh nebo zákalu, tím snazší je kompenzace v terénu.
- Krycí sklo s nekvalitním provedením nebo výrobou zvyšuje úroveň přeslechů. Stejně tak šmouhy nebo závoj na horní straně krycího skla zhoršují poměr mezi cílovým a přeslechovým signálem.
- Obrázek níže ukazuje example dosahové vzdálenosti v případě vysoké úrovně přeslechů. Udává se vzdálenost vzdálenosti oproti skutečné cílové vzdálenosti. To znamená, že přerušovaná čára představuje ideální křivku, kde je chyba rozsahu nula. Čím vyšší je přeslechový signál, tím větší je ovlivnění linearity dosahu na krátkou vzdálenost.
Obrázek 14. Dosah versus cílová vzdálenost pro vysokou úroveň přeslechů
Na dalším obrázku je example dosahové vzdálenosti v případě nízké úrovně přeslechového signálu. Ukazuje to
že kompenzace přeslechů má menší vliv na linearitu signálu vzdálenosti na krátké vzdálenosti. Chyba dosahu klesne na nulu, když je cílová vzdálenost větší než vzdálenost odolnosti proti přeslechům, která je aktuálně ~600 mm pro VL53L5CX.
Obrázek 15. Dosah versus cílová vzdálenost pro nízkou úroveň přeslechů
Těsnění
Těsnění snižují přeslechy mezi skutečným signálem a rušivými odrazy od přenášeného signálu. Ideální těsnění by mělo být dostatečně silné, aby vyplnilo celou vzduchovou mezeru mezi zařízením a krycím sklem. Těsnění by mělo obsahovat dva otvory dostatečně velké, aby umožnily neomezený průchod celého kužele Tx nebo Rx a zároveň vytvořily světelnou bariéru mezi kanály Rx a Tx. Těsnění by mělo pokrývat maximální možnou oblast mezi kanály Rx a Tx, aniž by narušovalo ochranné zóny.
Závěr a souhrnná tabulka
- Velikost vzduchové mezery a vlastnosti krycího skla ovlivňují úroveň přeslechových signálů.
- Experimentální výsledky ukazují, že se doporučuje vzduchová mezera < 0.4 mm. Pokud je použita větší vzduchová mezera, může být zapotřebí těsnění pro snížení přeslechů.
- Podrobnosti o doporučení krycího skla jsou uvedeny v souhrnné tabulce níže.
Tabulka 4. Pokyny pro krycí sklo a souhrnná tabulka
| Parametr | Doporučená specifikace pro maximální výkon | ||
|
Optický parametr |
Maximální úroveň přeslechového signálu je akceptována | 100 kcps (max.) | |
| Transmitance při 940 nm | >87 % | ||
| Přenosový opar (viditelný) | < 2 % | ||
| Přenosový zákal (IR) | < 1 % | ||
|
Mechanický parametr |
Vzduchová mezera(1) | Bez těsnění | < 0.4 mm |
| Vzduchová mezera + krycí sklo tl | <1.5 mm | ||
| Výklop krycího skla | ±10°(2) | ||
| Počet otvorů krycího skla | Pro ochranu světelné pasti jsou vhodnější dva kruhové otvory | ||
- Zvětšená vzduchová mezera může způsobit přeslechy. Přeslechy mohou být omezeny použitím těsnění. Vzduchová mezera <0.4 mm udržuje přeslechy pod doporučenými limity. Vzduchové mezery >0.7 mm vyžadují, aby těsnění zůstalo v mezích 100 kcps přeslechů.
- Montážní tolerance je ±2º
Poznámka:
Výše uvedené obrázky platí pro finální krycí sklo včetně případných nanesených povlaků.
Pro konkrétní krycí sklo na klíč vyrobené třetí stranou kontaktujte svou prodejní kancelář ST.
Zkratky a zkratky
Tabulka 5. Zkratky a zkratky
| Zkratka/zkratka | Definice |
| AFC | povlak proti otiskům prstů |
| OBLOUK | antireflexní vrstva |
| cps | počet fotonů za sekundu |
| FoV | pole view |
| FWHM | plná šířka maximálně polovina |
| IR | infračervený |
| PMMA | polymethylmethakrylát |
| Rx | přijímač |
| SPAD | jednofotonová lavinová dioda |
| ToF | Čas letu |
| Tx | vysílač |
| VCSEL | povrchově vyzařující laser s vertikální dutinou |
Historie revizí
Tabulka 6. Historie revizí dokumentu
| Datum | Verze | Změny |
| 21-listopad-2022 | 1 | Počáteční vydání |
DŮLEŽITÉ UPOZORNĚNÍ – ČTĚTE POZORNĚ
STMicroelectronics NV a její dceřiné společnosti (“ST”) si vyhrazují právo provádět změny, opravy, vylepšení, úpravy a vylepšení produktů ST a/nebo tohoto dokumentu kdykoli bez upozornění. Kupující by měli před zadáním objednávky získat nejnovější relevantní informace o produktech ST. Produkty ST jsou prodávány v souladu s prodejními podmínkami ST platnými v době potvrzení objednávky. Kupující jsou výhradně odpovědní za výběr, výběr a použití produktů ST a ST nepřebírá žádnou odpovědnost za pomoc s aplikací nebo design produktů kupujících. Společnost ST zde neuděluje žádnou výslovnou ani předpokládanou licenci k právu duševního vlastnictví. Další prodej produktů ST s ustanoveními odlišnými od informací uvedených v tomto dokumentu ruší jakoukoli záruku poskytnutou společností ST na takový produkt. ST a logo ST jsou ochranné známky společnosti ST. Další informace o ochranných známkách ST viz www.st.com/trademarks. Všechny ostatní názvy produktů nebo služeb jsou majetkem jejich příslušných vlastníků. Informace v tomto dokumentu nahrazují a nahrazují informace dříve uvedené v předchozích verzích tohoto dokumentu.
© 2022 STMicroelectronics – Všechna práva vyhrazena
Dokumenty / zdroje
 |
ST VL53L5CX Modul snímače chvění [pdfUživatelská příručka VL53L5CX, Modul snímače chvění, VL53L5CX Modul snímače chvění, Modul snímače, Modul, AN5856 |
