ToF によるセンシングのリファ レンス設計
TND6341JP/D
Rev. 3, August − 2021
ToF によるセンシングのリファレンス設計
センシングの要
ながなセンシングは、 、 、など、のでくのアプ
リケーションにとされています。オンセミは、のセンシングのリファレンスとキットをしました。これにより、なけのセンシングソリュー
ションをにし、!"までの#をすることができます。センシングには、な$があります。%えば、&なCMOSイメージセン
サを*する$としては、ステレオ-、. /01ピクセル、5!67などがあ ります。Figure 1. Stereo Triangulation
Stereo Triangulation | Example: Intel RealSense, Subaru EyeSight
"#は、$なる28のカメラで;けた7の-から%められます。カメラで<=した
&>の'?.(の)/を*+することにより、'?までの"#を,できます。
•
長G
パッシブG
&のイメージセンサ•
短G 28のカメラが
G
BC"#がカメラの"#にDEG -FGHにCきくDE
G ,コストがC
•
適したアプリケーションG
JコストカメラG
KL − "#アプリケーションFigure 2. Phase Detection
Phase Detection Pixels | Example: iPhone Camera AutoFocus
"#は、18のカメラで<=したシーンLのM.にNしてOPされます。ピクセルレベル
のイメージセンサが、$なる.(を/7したピクセルペアで;けた7の. /を*する か、SじマイクロレンズWの0Xのフォトダイオードを*してを,します。•
長G
パッシブG
&のイメージセンサ•
短G の\1が]る G -FGHにCきくDE G ,コストがC
G "#
•
適したアプリケーションG
スマートフォンのオートフォーカスFigure 3. Structured Light
Structured light | Example: iPhone Face ID
^_のCMOSイメージセンサを`したカメラで2a7のパターンを;けて1cし、その
3みをdしてシーンLのを,します。
パターンの3みを*して'?の34ef5を%めます。
•
長G "#に6している
•
短G
アクティブG
gh7の=7を;けやすいG の8/が"#とともにij G 9"#にはk6
•
適したアプリケーションG :;<
LiDAR
Figure 4. LiDAR
7による01および"(LiDAR:Light Detection and Ranging)では、との\1
が>いことから、lのmよりもnれたセンシングがです。また、2a7の7
トランスミッタとレシーバをいたアクティブなmのため、あらゆる-FGHでqrし ます。LiDARは、なで、、 、ロボット、 けのtu?v(AR)やw x?v(VR)などの々なアプリケーションや@にyくAzされています。LiDARは、BにC{Time of Flight (dToF)|Dを}し、E~した~からその7
までの#のFれを,します。もう1
つのmは、{ToF(iToF)
です。どちらのmでも、パルスGまたはHGを*できます。
iToFでは、IられたX(Jは2つ)のビンにXの7パルスをKLするイメージセンサピク
セルのGをdします。 ってきたパルスのタイミングは、$なるビンのMNをす ることによってOされます。Figure 5. Direct & Indirect ToF Methods
Table 1. TOF METHOD COMPARISON
Parameter iToF dToF
Acquisition Speed Long Integration Time Fast Acquisition
Range Ambiguity Yes No
Detect Multiple Echoes No Yes
Pixel Count Large Smaller
Data Volume Small Larger
Operation in Strong Ambient Light OK Good
iToFは、"#のセンシングアプリケーションや、KLPおよび7がセンサにC
{"しないPでの*に6しています。dToF
は、"#と9"#どちらのセンシングアプリケーションにも6しています。OPレートがよりく、0Xの7をできるため、リターンパスLにある0Xの'
?を01できます。
QではR、パルス
dToF にS.をててTFします。このmは、 1
のによっ て、あるいはUみOりごとに0XのをKLすることによってv?できます。シングルショットモードでは、タイマのq#にトランスミッタからいレーザパルスを
します。レーザパルスがLiDARシステムの)VLの'?にたると、して ってき
ます。 ってきたパルスをレシーバで01し、タイマをWします。この#/の1/2
に7をけると、01した'?までの"#をメートル.で%めることができます。
Figure 6. Single Shot Mode
ワーストケースのNX'は、YいをZている[\]など、^くにあるJ_の'?で す。この、 ってきたレーザパルスを、gh7から_る7などのノイズ`をaえて
<することがbながあります。よりなレーザを*えば、このIcをでき
るはありますが、レーザのBC1はIEC−60825−1にdされるeのIcのf hLにIするがあります。マルチショットモードでは、01したレーザパルスのタイムスタンプのヒストグラムをr
¡することにより、LiDARシステムの~Nノイズ*(SNR)が¢します。このヒストグラ ムを*して、'?の"#を£1できます。この$により、システムが01できるBC
を¤ばすことができます。
Figure 7. Multi−shot Mode
このモードでは、1つ1つの7の01イベントは、#にN¦§けられます。Pられ たヒストグラムには、ghの7などのノイズ`からのノイズレベルが¨まれますが、シ
ーンLのvgの'?からは、ほぼSじ#©によりくの り7があるため、ヒストグラム ªにNX'までの"#を«えるFなピークができます。
Figure 8. Histogram Peak
¬hした$を0iする¢では、LiDARシステムのには>センサがkjという ことはFらかです。dToF LiDARシステムに*するBなセンサの%をFigure 3にkし ます。
PIN
ダイオードとアバランシェフォトダイオード(APD)
は、"ってくる7のに*%した1を«えるリニアモードの01°です。'?のとしてN¦§けられるスレッシ ョルドにlするまで、7をあるmKLするがあります。これら^_の01°は、
より>のセンサに±に(き²えられつつあります。そのようなセンサは、7
アバランシェフォトダイオード(SPAD)¢に5nされており、71³にNしてもがあり ます。これらのセンサの%としては、シリコンフォトマルチプライヤ(SiPM)、SiPMアレ イ、SPADアレイなどがあります。オンセミでは、これらのo¶をCMOSプロセスでo!し ているため、デバイスの¸にnれ、JM¹qrがで、pに>いゲインをzえ ています。これらのセンサのq»は、Jコストで>なLiDARのC に6していま す。
Figure 9. dToF Sensors
ここまでに¼をhべたrsは、シングルポイントLiDARシステムについてTFしたもの です。これは、の.にNしては¾¿な"ツールとなります。しかし、Sじアーキ テクチャをスキャニングオプトエレクトロニクスシステムとtみわせることで、7ビー ムの$をÃし、シーンのの>Äな.u(ポイントクラウド)をf¡することができ ます。また、スキャニングシステムにより、レーザ1をより¾_に*できるように なりますが、vÅなwx(で5¡されるためCÆになり、コストが>くなります。こ れらのvÅなビーム$Ãシステムは、ÇÈMyvÅシステム(MEMS)のミラー、zÉ メタ{|(LCM)、7フェーズドアレイ(OPA)などのÇÈシステムへの(き²えがまってい ます。
また、センサアレイと7}アレイをÊしてシーンをフラッシュ(にËÌ)するこ とにより、ビーム$Ãを*わずに>Äの.uをPることもできます。フラッシュベ ースのLiDARは、SiPMやSPADのC~アレイとともに*し、のソリッドステートソリ ューションをrることができます。フラッシュ
LiDAR
は、"#からª"#のアプリケーシ ョンに6しています。レーザ1がシーン?に\Íすることと、eのHによりセ ンサの)VLのM.に"するÎ17のがIされているためです。スキャニング$の%をWÏにkします。
Figure 10. Beam Steering Methods
オンセミの LiDAR リファレンス設計
7が ってくると、
LiDAR
システムのシグナルチェーンは、アナログ−
デジタルコンバ ータ(ADC)または#−デジタルコンバータ(TDC)のいずれかを*して、01したレーザ の7をデジタル6することができます。ADCベースのシステムでは、パルス?のデ ジタル6がで、パルスのf5からÑできる_など、NX'にする§jÒÓを Pることができます。しかし、TDCベースの$には、コストとMの|でd.があります。そのr は、Ôを*+にvxでき、このmがいパルスÕのレー ザに6しているからです。そのため、eのIcに=7を«えることなく、パルスごと により>いピーク1を*できることになります。
QでÖするリファレンスは、の£1にマルチショットのヒストグラム1を
いるTDC~×rmにØづきます。これらは、LiDARエコシステムのおÙやパートナ
ーが、オンセミのo¶とシステムソリューションをして、のを5nできるよ うにされたものです。SiPM dToF LiDAR リファレンスプラットフォーム
SiPM dToF LiDARリファレンスプラットフォームは、オンセミによるÚなリファレンス でもあり"いただくことができます。これはシングルポイントLiDARシステムのター
ンキーソリューションにいもので、レーザÛ°、7Ü、センサ、1 mから23 mまでのをするためのFPGAのコードを¨むUみ1し;~チェーンで5¡されています。
Figure 11. SiPM dToF LiDAR Reference Platform
トランスミッタは、OSRAMの905 nmレーザダイオードSPL PL 90_3を*
し、NX 'にレーザパルスをします。E~レンズLには、リファレンス SiPM
としてMicroRB−
10010−MLP−TRを*し、1レーザパルスを01して、TDCの~を ¡します。
Figure 12. RB−Series SiPM Sensor
レシーバには、2のSiPMとしてMicroRB−10010−MLP−TRを*し、NX'からの
パルスを01します。iÕにより、Jのレーザパルスをvに01できます。
アンプの1はTDCのW~をÝします。
TDCはFPGALにvxされ、~とW~にタイムスタンプを§jするために*
されます。FPGA¢でヒストグラム×rが\われ、ÞのNX'までのが,されます。
SiPM dToF LiDAR
リファレンスプラットフォームには、グラフィカルユーザインタフェー スが¨まれています。これにより、ユーザはヒストグラムのデータを{kしたり、レーザ"#をシングルショットまたはマルチショットモードにすることができます。また
、バイアスM¹をàして
SiPM
のをすることもできます。Figure 13. User Interface showing Depth Histogram
Figure 14. SiPM dToF LiDAR Reference Platform
このLiDARリファレンスプラットフォームは、オンセミのIoTプラットフォームLのlの センサに{Hするように5¡することができます。
SiPM dToFリファレンスプラットフォームには、Wのものが¨まれます。
• キット
G SiPM dToF LiDARリファレンスプラットフォーム G
ユニバーサルM`とケーブルG
ソフトウェアGUI•
リファレンスのドキュメントG のなTF
G
vxにするアドバイスG
インタフェースコマンドライブラリ•
パッケージのリリースG FPGA
のコードG Gerberファイル G Cadenceファイル G Eagle
ファイルG
ÚなBOMのSiPM dToF LiDARリファレンスプラットフォームのは、sensl_questions@
onsemi.comにおáいわせください。
16 チャンネル LiDAR リファレンス設計
Figure 15. 16 Channel Reference Design Block Diagram
16
チャンネルLiDAR
リファレンスは、や などのスキャニングLiDAR
アプリケーションに6しています。これは、Wにkすモジュールãのサブブロックコン ポーネントとしてされたXäのプリントØå(PCB)のファイルソフトウェア リリースパッケージで5¡されています。• M`PCB
•
レーザPCB•
アナログフロントエンド(AFE)PCB
•
Ô°PCB• TDC/×rPCB
このリファレンスのMサブブロックは、tみて、テスト、0が\われています。
には、レーザパルスの 、 り~の01、.uの ¡になすべてのMv
が¨まれています。システムの7Ü、スキャニングハードウェア、モータÃはこ
ののNXaであることにごçください。このリファレンスは、そのままオプトメカニカルサブシステムとともに*して、Ú
な
LiDAR
システムを5nすることができます。あるいは、オンセミoデバイスの@に^って*するは、³々のブロックをのとしてすることもです。
Figure 16. Physical PCBs
M` PCB
には、12 V
"を50 V
までè¹するSiPM è¹コンバータが`されていま
す。SiPMのバイアスM`は、SPIJ~をÖしてàしをÃできます。è¹コンバー タはレーザPCBへのM`Ýに*することもできます。7トランスミッタは9905 nmのレーザ-°です。この|7レーザ7`は、
GaNベースのディスクリートレーザドライバを*し、3 nsパルスÕで75 Wのピーク1
のレーザパルスをv?できます。
AFEボードには01°とフロントエンドが`されています。01°はArrayRDM−
0116A10−DFNであり、これは905 nmで16%という cB>の701¾_(PDE)をzえた 16チャンネルリニアアレイです。SiPMアレイのMチャンネルは、16のポイントをS#
に1するためにéêにUみ1されます。01°はiÕに{Hされ、7イベント のになゲインをPています。
Figure 17. ArrayRDM−0116A10−DFN
Ô°PCBはSiPMアレイのMチャンネルにコンパレータをzえています。SiPMの~を Øスレッショルドと*+し、TDCのW~を させます。コンパレータのスレッシ ョルドは、SPIÃのデジタル−アナログコンバータ(DAC)をÖしてÃできます。
このリファレンスは、16チャンネルのTDCベースのUみ1しをëし、14e01°
アレイ?に ってきたパルスをS#にデジタル6します。
TDC
はIntel ® Cyclone ® 10LP FPGAにvxされています。このFPGAは、タイミングヒストグラムと34e.uデータを ¡するだけでなく、レーザおよびモータÃvけにシステムÃ~とタイミング
~を1します。
&とするLiDARシステムは、)V?にレーザビームをスキャンし、>\1の3 4eマップをr¡できます。
リファレンスのは、sensl_questions@onsemi.comにおáいわせください。
その(の)能
•
デッドタイムのい>、yダイナミックレンジのTDC
• TDCの\1を31〜250 psのでプログラム
• TDCのBCfhは150 m(4096ビン)
•
シリアルおよびUSBインタフェース(イーサネットはN¦ì)•
なIりグレードの¶を*車載要*
アプリケーションには、 なGHやyい¡fhでvにqrできる>センサ
とデバイスがです。これらの¢£と¤Ùの%を¥たすために、オンセミは?í、アプリケーションîにされたSiPMおよびSiPMアレイo¶をX¦ïÝしていま
す。これにはリファレンスで*しているArrayRDM−011A16−DFNも¨まれます。の
SiPM
およびSiPM
アレイo¶のは、sensl_questions@onsemi.com
におáいわせください。
これらはで"mなðの;
SiPM
センサです。これらのo¶の
;
をO P す る た め に 、オ ン セ ミは§ ¨
Þと デ ザイン セ ン タにo !
ØIATF16949の;を;けました。にñち、これらのo¶は、M¶©ò (AEC)によるSiPMなどのオプトエレクトロニクスóô?け~õAEC−Q102にöした;
ストレスª«を;けています。
16チャンネルLiDARリファレンスには、Wが¨まれています。
•
リファレンスのアプリケーショノートG のなTF
G
vxにするアドバイスG
ハードウェアテストの¬¿G
インタフェースコマンドライブラリ•
パッケージのリリースG FPGAのコード G Gerberファイル G Cadenceファイル G Eagleファイル G
ÚなBOMPandion SPAD アレイ評,キット (EVK3)
SPADアレイを*すると、ピクセルÄが>いためLiDARシステムの\1を¢
させることができます。SiPMとは$なり、これらのセンサのMSPADは、³にアドレス }してUみ1すことができます。さらに、これらのセンサは
CMOS
ロジックでされ ているため、SPADのクエンチングにアクティブを*でき、クエンチング÷øにD EするSiPMのようなパッシブ01°よりもリカバリ#をできます。アクティブクエ ンチングをzえているために、701ùのリカバリ#をでき、gh7úが¢します。オンセミのPandion SPADアレイは、4ûピクセル (400 x 100) の1>
をzえたセンサで、4Di1(とF&>のS#1)を ¡するシステムで*できま す。このvはキットで~×rを\うことによってü¾になります。
Figure 18. Pandion SPAD Array
Figure 19. Pandion EVK3 Block Diagram
Pandion EVK3はLiDARシステムの;~チェーン?
をïÝします。LiDARシステムに は、SPADアレイ、タイムスタンプとヒストグラム×rのUみ1しFPGAだけでなく、.uデータを)®6しýrするためのソフトウェア GUI
も¨まれます。ユーザは、の7Üや7`を¯jして、SPADアレイをベースとしたカスタムLiDARシステムを5nできま
す。Pandionチップはローリングシャッタ$ãのUみ1しを*し、1のピンXをBÈI にþえています。Pandion EVK
は、フラッシュまたはスキャニング-Fとtみわせて、LiDARシステムをÚ¡させることができます。
Figure 20. Flash Illumination
Figure 21. Scanning Illumination
Pandion EVKの./01
1.
Pandion EVK3は、オンセミのDemo3インタフェースボードとtみわせて、DevWare
ソフトウェアPでPandion SPADアレイのながになるプラグアンドプレ イシステムを5nすることができます。ユーザはPandionチップのvについてÜ°す ることができ、LiDARシステムにNするr1を}くめることができます。Figure 22. Pandion EVK and Demo3 Interface Board
DevWareソフトウェアPでは、F1や.uのデータを>1>でプロット
でき、SPADアレイのMピクセルの のヒストグラム¦±を;することもできます。また、このソフトウェアでは、システムオフセットのキャリブレーションを\ったり、
々な"#に6するポイントのの²をカスタマイズすることもです。
2. LiDARシステムのレシーバ
Pandion EVKは、システムのレシーバとしてLiDARシステムにtみ³むことができま
す。EVK
ボードは、プロセッサまたはマイクロコントローラからI 2 C
のコマンドを*してデータをUみ1すことにより、データの.uとFÒÓを1します。
Figure 23. Pandion EVK and Customer Processor/ECU 3.
カスタムレシーバソリューションPandion EVKはÚなリファレンスでもあります。EagleのÏおよびレイアウ
トファイルを、100のTDCのFPGAコードとヒストグラム×rアルゴリズムとÊせ、のソリューションの0iをめたいと´えているおÙにごdいただけます。
Figure 24. Pandion EVK FPGA Code and Design Files
Pandion SPAD
アレイのは、sensl_questions@onsemi.com
におáいわせください。Figure 25. Pandion EVK Flash Based Demo Units
オンセミは、Pandion EVKを*したフラッシュベースのデモvを5nし、Pandionチッ プによるおよびFイメージングのをÖしています。このシステムで ¡で きる>Äの.uとFの&>%をWにkします。
Figure 26. Pandion Point Cloud Example Figure 27. Pandion 4Di Output
Pandion EVK
には、45のものが8まれています。• キット
G Pandionチップを`したUみ1しボード G
ユニバーサルM`とケーブルG DevWareソフトウェアP
G
レンズマウント•
リファレンスのドキュメントG のなTF
G
vxにするアドバイスG
インタフェースコマンドライブラリG EVKのユーザマニュアル
•
パッケージのリリースG FPGAのコード G Gerber
ファイルG Cadenceファイル G Eagleファイル
G
ÚなBOM
?象アプリケーション
Table 2. TARGET APPLICAITON
Application
Recommended Reference Design Laser Rangefinder 16−Channel LiDAR
Ref Design Pandion EVK AUTOMOTIVE
Long/Short Range LiDAR Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism No
Turn Assist/Blind Spot Detection Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism No
ADAS Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism No
INDUSTRIAL/CONSUMER
Fill Level Monitoring Yes Yes Yes
Storage Retrieval Yes Yes Yes
Stack Height Control Yes Yes Yes
Measuring the Thickness of Metal,
Ceramics, Wood etc. Yes Yes Yes
Distance Measurement Yes Yes Yes
Distance Monitoring Yes Yes Yes
Position Feedback in Industrial
Automation Yes Yes Yes
Level Control, e.g. in the Packaging
Industry Yes Yes Yes
Exact Positioning of Stacker Cranes,
Gantry Cranes, and Conveyors Yes Yes Yes
Safeguarding Minimum Distances Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
Verifying Occupancy Conditions Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
Overhang, Gap, and
Compartment−occupied Checks Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
Avoidance of Collisions for AGVs, Suspended Conveyor Systems, or Freely Navigating Platforms
Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
Object Detection and Classification Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
Safety/Proximity Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
Security Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
People Counting Yes + Scan
Mechanism Yes + Scan
Mechanism Yes
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