ST VL53L5CX Модул за сензор за затегнување
Упатства за капакот на стаклото на повеќезонскиот сензор VL53L5CX Време на летот 8×8 со широко поле на view
Вовед
Целта на оваа белешка за апликација е да обезбеди насоки за индустрискиот дизајн и како да се оцени квалитетот на стаклото за покривање. Ги детализира препораките на ST за изборот на стаклото за покривање и барањата за дизајн за минимизирање на вкрстувањето и оптимизирање на системот.
Општи информации
VL53L5CX е повеќезонски сензор за време на летот (ToF) 8×8 со широко поле на view (FoV).
Стаклото на капакот е вообичаено непроѕирен прозорец со слој за обложување што претставува отвори за да се овозможи емисија и прием на IR светлина. Отворите може да бидат или една овална бленда или две кружни отвори. Честопати чашите за покривање се обложени со филтер филм кој обично се депонира на долната страна на прозорецот.
Покривното стакло служи за две главни цели:
- физичка заштита на уредот, вклучително и спречување на навлегување прашина
- оптичко филтрирање
Покривното стакло може да се користи и за естетски цели. Поради оваа причина, на слојот за обложување, можно е да се создадат две дупки со еднаква големина, поставени на врвот на предавателот и на приемникот. Меѓутоа, дупката на ресиверот може да се направи помала доколку е потребно (видете во Дел 4 Механички упатства за стаклото на капакот за повеќе детали).
Слика 2. Преслушани критични патеки го прикажува системот VL53L5CX во типична апликација. Покривното стакло е поставено на горниот дел од модулот и се остава простор помеѓу двата. Овој простор генерално се нарекува воздушен јаз и се мери во mm. Експерименталните податоци покажуваат дека зголемувањето на големината на воздушниот јаз доведува до зголемување на:
- сигнал за разговор
- загуба на сигнал
Преслушување на системот
VL53L5CX е уред со широк FoV кој овозможува висок прием на сигнал кој доаѓа од целта. Во исто време, сигналот за преслушување е присутен во низата на приемникот. Преслушувањето е дефинирано како светлина што доаѓа од емитерот на модулот и не се рефлектира од целта, но која следи алтернативни, непожелни патишта за да стигне до приемникот. Поради оваа причина, сигналот за преслушување не носи никакви корисни информации од целта (како растојание и рефлексија) и мора да се минимизира. Оптичката патека за вкрстување е кратка, така што пулсот на преслушување се појавува блиску до нула растојание/одложување. Количината на вкрстување зависи од оптичкото поставување, геометријата на стаклото на капакот и својствата. Преслушувањето исто така може да варира во текот на животниот век на производот поради гребнатини или нечистотија на стаклото на капакот.
Слика 2. Преслушани критични патеки
Сликата погоре ги истакнува типичните оптички патеки што светлината, снимена од емитер, може да ги следи пред да стигне до низата на приемникот.
Главните претставени патеки се:
- патека на целниот сигнал, означена со 1 на сликата погоре
- патеката на сигналот за вкрстување во внатрешноста на стаклото на капакот, означена со 2 на сликата погоре
- патеката на сигналот за вкрстување во внатрешноста на воздушниот јаз, означена со 3 на сликата погоре
Целта на конечниот дизајн на апликацијата е да се минимизираат сигналите за вкрстување и да се максимизира целниот сигнал избегнувајќи секакви пречки или слабеење на неговиот пат.
Општо земено, сигналот за преслушување се зголемува со дебелината на стаклото на капакот. За да се минимизира сигналот за вкрстување, се препорачува да се користи најтенкиот достапно стакло за покривање. За да се пробие патеката за прекршување што се шири низ стаклото на капакот, се препорачува да се користи светло-блокатор како што е прикажано на сликата подолу.
Сигналот за преслушување се намалува кога се намалува големината на воздушниот јаз, видете во Дел 6 Заклучок и табела за резиме за повеќе детали. Затоа, се препорачува да се има најмал можен воздушен јаз.
За да се прекине патеката за прекршување што се шири низ воздушниот јаз, се препорачува да се користи заптивка. Специфичен темен материјал како неопренот може да се постави во средината на просторот на воздушниот јаз за да се пробие светлосната патека на преслушување (Yoder, PR, Opto-Mechanical Systems Design, 3rd Ed., CRC Press, 2006 и Harris, DC, Materials for Infrared glasses и Domes, Properties and Performance, SPIE Press, Bellingham, 1999).
За воздушни празнини >0.7 mm, потребна е заптивка за да се осигури дека нивото на сигналот за вкрстување се одржува под максималната препорачана граница од 100 kcps.
Ефектот на вкрстување има неколку негативни влијанија, како што е зголемување на:
- загуба на сигнал
- опсег на нелинеарност
- рангирана стандардна девијација
Згора на тоа, сигналот за преслушување зависи од температурата, како и целниот сигнал. Генерално, сигналот за преслушување се зголемува со зголемувањето на температурата.
Слика 3. VL53L5CX конечна конфигурација на апликацијата
VL53L5CX имунитет за разговор
За да има корист од целосните перформанси на уредот, двигателот VL53L5CX вклучува функција за калибрација посветена на компензација на препреки. Калибрацијата на преслушување мора да се изврши еднаш на производната линија на клиентите. Оваа постапка за калибрација мора да се изврши за да се компензира ширењето на стаклото на капакот дел до дел што може да влијае на перформансите на уредот. Податоците за калибрација зачувани во домаќинот мора да се вчитаат во модулот VL53L5CX при секое стартување за да се примени компензацијата за прекршување на добиените мерења. Податоците за калибрација може да се вчитаат на модулот VL53L5CX само со користење на функцијата наменски двигател.
Дизајн на капак стакло
Сигналот за преслушување е многу чувствителен на дизајнот и структурата на стаклото на капакот. Производните својства на стаклото на капакот влијаат на феноменот на расејување на светлината и, следствено, на преслушувањето како што е прикажано на сликата подолу. На пример, честичките и кристалните дефекти вградени во капакот стакло го зголемуваат расејувањето на светлината. Слично на тоа, топографијата на површината на покривната стаклена површина и грубоста на површината влијаат на преслушувањето.
За да се избегне ефектот на расејување на светлината и да се намали сигналот за вкрстување, стаклото на капакот треба да биде произведено да има:
- нема дефекти во кристалната структура или на горниот дел од површинскиот слој
- нема нечистотии или дислокација во внатрешноста на структурата
- без дамки или површни артефакти
Слика 4. Расејување на светлината прampлес поради внатрешни дефекти или површна грубост
оптички пренос
Од оптичка точка на view, стаклото на капакот мора да дозволи пренос на IR светлина што ја емитува модулот VCSEL на 940 nm со 1.6 nm на целосна ширина на половина од максимумот (FWHM) и примана од SPAD низата вградена во модулот. Потребно е оптичкиот пренос на стаклото на капакот да биде поголем од 87% во овој пропусен опсег.
Табелата подолу ја покажува проценетата еволуција на максималното растојание на опсегот преку преносот:
Табела 1. Еволуција на максималното растојание на опсег
| Пренос [%] | Проценето максимално растојание од опсег [mm] (1) |
| 100 | 4000 мм |
| 90 | 3800 мм |
| 80 | 3600 мм |
| 70 | 3400 мм |
| 50 | 3000 мм |
| 20 | 2400 мм |
Exampле од режимот 4×4, темни услови, бела 88% целна рефлексија, фреквенција на опсег од 30 Hz, со стандардни поставки на двигателот
Сите сигнали што не се пренесуваат од стаклото на капакот се губат или потенцијално може да се претворат во препреки. Губење на
сигналот директно влијае на перформансите на модулот VL53L5CX и на максималното растојание на опсегот. Се препорачува да има најголема можна пропустливост на стаклото на капакот.
Покријте стаклен слој
Очилата за покривање обично се обложени со различен материјал за различни намени.
- Шарено мастило од естетски причини
- IR филтер за да ја исклучи сета несакана светлина во IR преносот. Вообичаено, облогата на филтерот се депонира на задната страна на прозорецот.
- ARC: анти-рефлектирачки слој за намалување на рефлексијата на површината.
- AFC: облога против отпечатоци за зголемување на заштитата на отпечатоците.
Важно е да се забележи дека површната обвивка може да генерира дополнителни сигнали за разговор. Всушност, секој трансмисивен слој наталожен на стаклото на капакот може да дејствува како оптичка патека за водење на светлото за прекршување од емитерот до приемникот.
Забелешка:
Секогаш кога е можно, избегнувајте употреба на било каков премаз од стакло за покривање, барем во областите за исклучување дефинирани во Дел 4 Механички упатства за стаклото на капакот. Се препорачува да се користат надворешни облоги кои не го намалуваат имунитетот на отпечатокот од прст (на прampле, премази против отпечатоци или антирефлектирачки облоги со карактеристика против отпечаток од прст) со цел да се намали ефектот на размачкување или губењето на сигналот.
Магла
Haze се дефинира како процентtagе од светлина која при минување низ одреден материјал отстапува од упадниот зрак, во просек, за агол поголем од 2.5 степени.
Сигналот за вкрстување експериментално се зголемува со квадратот на перцентилот на магла. Се препорачува да има магла помала од 2% од вкупната емитирана светлина (1%, 940 nm IR).
Навалување на стаклото и паралелизам на површината
Горните и долните површини на стаклото на капакот мора да бидат паралелни со површината на уредот. Идеално, секое навалување на стаклото на капакот мора да се избегнува за да се намалат сигналите за прекршување.
Ако механичките ограничувања бараат навалување на уредот, корисникот мора да се погрижи максималниот преслушување да биде под 100 kcps. Препорачаниот максимален наклон е даден во Табела 4. Упатства за стаклото на капакот и сумарна табела.
Покријте стаклени материјали
Се препорачува единечен материјал за дизајнот на стаклото на капакот; мулти-материјалите може да ги променат перформансите или да го зголемат ефектот на внатрешно расејување на светлината. Предложените материјали се:
- Стакло
- Сафирно стакло
- Полиметил метакрилат (PMMA)
- Поликарбонат
Покријте стакло механички упатства
Овој дел дава информации за геометриските димензии на модулот VL53L5CX неопходни за пресметување на минималните димензии на отворот на слојот за обложување на стаклото на капакот. Видете ја сликата подолу.
- Механичката бленда на приемникот е кружна со дијаметар 0.51 mm (површина 0.4086 mm2).
- Механичката бленда на емитер е правоаголна со ширина од 0.72 mm и висока 0.80 mm (површина
0.576 mm2). - Растојанието помеѓу центарот на оптичкиот емитер и центарот на оптичкиот приемник е 4 mm како што е прикажано на сликата подолу.
- Опционално е да имате една голема бленда од стакло за покривање или две посебни отвори. Конечната одлука е делумно естетска, делумно функционална. Две отвори може да понудат подобар имунитет за прекршување, особено во дизајни без дихтунзи.
Забелешка:
Важно е да се усогласат отворите со оптичките центри на VCSEL, како погоре. Тие не се исти како механичките центри. Дополнителни механички детали може да се најдат во листот со податоци.
За дизајнирање на конечните димензии, првично се претпоставува дека има правоаголни отвори со големини овде наречени aR, bR на страната на приемникот и aT, bT на страната на предавателот. Дијагоналите на овие правоаголници ги претставуваат дијагоналите, овде наречени dR и dT, на кружните отвори што се создаваат во прекривката од стаклото. Отворите за обложување на стаклото на капакот се усогласени со отворите на модулот концентрично (видете ја сликата подолу).
Слика 7. Прampле од покривка стаклена облога со единечна бленда
Знаејќи го конусот за исклучување на колекторот на модулот VL53L5CX, 61º по насоката y и 55.5º по должината на насоката x (за повеќе детали погледнете го нацртот на контурите на модулот VL53L5CX), можно е да се пресметаат минималните отвори на стаклото на капакот користејќи го следново формули. Видете ги сликите подолу како референца за пресметката.
Слика 8. Покријте стакло Tx отвор во насока x
aT, што одговара на конусот за исклучување на колекторот од 55.5º, може да се пресмета со следнава формула.
Слично, bT, што одговара на 61° од конусот за исклучување на колекторот, може да се пресмета на следниов начин.
Дијаметарот на ограничениот круг што ја покрива правоаголната бленда во прозорецот на капакот може да се пресмета како:
Слични формули може да се напишат за страната Rx, заменувајќи ги во претходната TxPyramidApex = 0.63 mm со RxPyramidApex = 0.45 mm. Кога користите капак прозорец со единечна бленда (види Слика 7. Прampод прекривката стакло со единечна бленда), двете димензии на отворот се нарекуваат W (ширина) и L (должина). Додавајќи толеранција од t = 200 µm на секоја страна од модулот, можно е да се пресмета W на следниов начин.
Со користење на dT, бидејќи е поголем од dR, можно е да се пресмета L со следнава формула.
Табела 2. Пресметката на димензиите на капакот на стаклото ги известува сите резултати пресметани со користење на различните димензии на воздушниот јаз дадени во првата колона.
Табела 2. Пресметка на димензиите на капакот на стаклото
| воздушен јаз | 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 |
Димензиите претпоставуваат дебелина на капакот на стаклото 0.5 mm и наведената димензија е на горната страна на стаклото.
Оваа пресметка вклучува 2º аголна толеранција (θтолеранција) покрај конусот за исклучување на колекторот (види слика подолу), а потоа резултатите од пресметката се прикажани во Табела 3. Пресметка на стаклото за покривање со толеранција од 2 степени.
Слика 10. Покријте стакло Tx отвор со толеранција на агол во x насока
Табела 3. Пресметка на стакло за покривање со толеранција од 2 степени
| воздушен јаз | 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 |
Димензиите претпоставуваат дебелина на капакот на стаклото 0.5 mm и наведената димензија е на горната страна на стаклото.
Ако прозорецот на капакот не е паралелен со површината на модулот VL53L5CX, тогаш може да се појави одреден чекор или тркалање како што е прикажано на сликата подолу.
Слика 12. Покријте стаклен терен или ротација на ролна
Во случај на вртење на чекор и ролна на прозорецот на капакот, големината и обликот на отворите се менуваат како што е прикажано подолу и мора повторно да се пресметаат.
Пресметката може да се обезбеди во посебен документ доколку е потребно. Контактирајте ја вашата канцеларија за поддршка на клиенти на ST за повеќе информации.
Слика 13. Форми на отворот со ротација на капакот стакло
Надомест за разговор
- Надоместокот за разговор е карактеристика вградена во фирмверот VL53L5CX. Овозможува компензација на ефектот на вкрстување, врз основа на резултатите од карактеризацијата и податоците за калибрација. Постапката за карактеризација на вкрстување е детално опишана во упатството за корисникот VL53L5CX (UM2884).
- Општо земено, колку е помал прекршувањето, толку е полесно да се компензира. Дополнително, колку помалку варијации во разговорот поради дамка или магла, толку полесно е да се компензира на терен.
- Стаклото за покривање со дизајн или изработка со слаб квалитет го зголемува нивото на разговор. На ист начин, замаглувањето или замаглувањето на горниот дел од стаклото на капакот го деградираат односот на целта и сигналот на преслушување.
- Сликата подолу покажува прampоддалеченоста на опсегот во случај на високи нивоа на вкрстување. Растојанието на опсегот е пријавено наспроти вистинското растојание на целта. Ова значи дека испрекината линија ја претставува идеалната крива каде што грешката на опсегот е нула. Колку е поголем сигналот за преслушување, толку е поголема линеарноста на опсегот на кратко растојание.
Слика 14. Опсег наспроти целното растојание за високо ниво на преслушување
Следната слика покажува ексampдалечина на опсег во случај на ниски нивоа на сигнал за вкрстување. Тоа покажува
дека компензацијата на вкрстување има помал ефект врз линеарноста на опсегот на сигналот на кратки растојанија. Грешката на опсегот паѓа на нула кога целното растојание е поголемо од растојанието на имунитетот за прекршување, кое моментално е ~600 mm за VL53L5CX.
Слика 15. Опсег наспроти целното растојание за ниско ниво на преслушување
Дихтунзи
Дихтунзите го намалуваат разговорот помеѓу вистинскиот сигнал и лажните рефлексии од пренесениот сигнал. Идеалната заптивка треба да биде доволно дебела за да го пополни целосниот воздушен јаз помеѓу уредот и капакот стакло. Дихтунгот треба да содржи два отвора доволно големи за да се овозможи целосниот конус Tx или Rx да помине непречено, а истовремено да формира светлосна бариера помеѓу каналите Rx и Tx. Дихтунгот треба да ја покрие максималната можна површина помеѓу каналите Rx и Tx без да ги попречува зоните за задржување.
Заклучок и збирна табела
- Големината на воздушниот јаз и својствата на стаклото на капакот влијаат на нивото на сигналите за вкрстување.
- Експерименталните резултати покажуваат дека се препорачува воздушен јаз од < 0.4 mm. Ако се користи поголем воздушен јаз, тогаш може да биде потребна заптивка за да се намали прекршувањето.
- Деталите за препораката за капакот стакло се пријавени во резимената табела подолу.
Табела 4. Насоки за стакло за покривање и сумарна табела
| Параметар | Препорачани спецификации за максимални перформанси | ||
|
Оптички параметар |
Прифатено е максимално ниво на сигнал за разговор | 100 kcps (макс) | |
| Пренос на 940 nm | > 87% | ||
| Пропустлива магла (видлива) | < 2% | ||
| Пропустлива магла (IR) | < 1% | ||
|
Механички параметар |
Воздушен јаз(1) | Без заптивка | < 0.4 мм |
| Воздушен јаз + дебелина на капакот на стаклото | <1.5 мм | ||
| Навалување на покритието на стаклото | ±10°(2) | ||
| Број на отвори за стакло за покривање | За заштита на светлосната стапица се претпочитаат две кружни дупки | ||
- Зголемениот воздушен јаз потенцијално додава преслушување. Преслушувањето може да биде ограничено со употреба на заптивка. Воздушните празнини <0.4 мм го одржуваат преслушувањето под препорачаните граници. Воздушните празнини >0.7 mm бараат дихтунгот да остане во рамките на границата за прекршување од 100 kcps.
- Толеранцијата на склопот е ±2º
Забелешка:
Сликите погоре се за стаклото за завршна покривка вклучувајќи ги сите нанесени облоги.
За одредено стакло за покривање клуч на рака направено од трето лице, контактирајте со продажната канцеларија на ST.
Акроними и кратенки
Табела 5. Акроними и кратенки
| Акроним/кратенка | Дефиниција |
| АФЦ | слој против отпечатоци од прсти |
| ARC | анти-рефлектирачки слој |
| cps | број на фотони во секунда |
| FoV | поле на view |
| FWHM | целосна ширина на половина максимум |
| IR | инфрацрвена |
| PMMA | полиметил метакрилат |
| Rx | приемник |
| SPAD | единечна фотонска лавинска диода |
| ToF | Време на летот |
| Tx | предавател |
| VCSEL | Ласер со површинска емисија со вертикална празнина |
Историја на ревизии
Табела 6. Историја на ревизија на документ
| Датум | Верзија | Промени |
| 21-ноември-2022 | 1 | Почетно ослободување |
ВАЖНО НАПОМЕНА – ПРОЧИТАЈТЕ ВНИМАТЕЛНО
STMicroelectronics NV и нејзините подружници („ST“) го задржуваат правото да прават промени, корекции, подобрувања, модификации и подобрувања на производите на ST и/или на овој документ во секое време без најава. Купувачите треба да ги добијат најновите релевантни информации за производите на ST пред да направат нарачки. Производите на ST се продаваат во согласност со одредбите и условите за продажба на ST кои се на сила во моментот на потврдата на нарачката. Набавувачите се единствено одговорни за изборот, изборот и употребата на производите на ST и ST не презема никаква одговорност за помош при апликација или дизајнирање на производите на купувачите Ниту една лиценца, експлицитна или имплицитна, за кое било право на интелектуална сопственост е дадена од ST овде. Препродажбата на производите на ST со одредби различни од информациите наведени овде ќе ја поништи секоја гаранција дадена од ST за таков производ. ST и логото ST се заштитни знаци на ST. За дополнителни информации за заштитните марки ST, погледнете во www.st.com/trademarks. Сите други имиња на производи или услуги се сопственост на нивните соодветни сопственици. Информациите во овој документ ги заменуваат и заменуваат информациите претходно дадени во која било претходна верзија на овој документ.
© 2022 STMicroelectronics – Сите права се задржани
Документи / ресурси
 |
ST VL53L5CX Модул за сензор за затегнување [pdf] Упатство за корисникот VL53L5CX, модул на сензор за затегнување, модул на сензор за затегнување VL53L5CX, модул на сензор, модул, AN5856 |
