Modulo sensore di tangenza ST VL53L5CX
Linee guida per il vetro di copertura del sensore multizona VL53L5CX Time-of-Flight 8×8 con ampio campo di view
Introduzione
Lo scopo di questa nota applicativa è fornire linee guida per il design industriale e come valutare la qualità del vetro di copertura. Descrive in dettaglio le raccomandazioni della ST sulla scelta del vetro di copertura ei requisiti di progettazione per ridurre al minimo la diafonia e ottimizzare il sistema.
informazioni generali
Il VL53L5CX è un sensore multizona Time-of-Flight (ToF) 8×8 con ampio campo di view (FoV).
Il vetro di copertura è normalmente una finestra opaca con uno strato di rivestimento che presenta delle aperture per consentire l'emissione e la ricezione della luce IR. Le aperture possono essere un'apertura ovale o due aperture circolari. Spesso i vetrini coprioggetto sono rivestiti con una pellicola filtrante che generalmente si deposita sul lato inferiore della finestra.
Il vetro di copertura ha due scopi principali:
- protezione fisica del dispositivo, inclusa la prevenzione dell'ingresso di polvere
- filtraggio ottico
Il vetro di copertura può essere utilizzato anche per scopi estetici. Per questo motivo, sullo strato di rivestimento, è possibile creare due fori di uguali dimensioni, posti sulla sommità del trasmettitore e del ricevitore. Tuttavia, se necessario, il foro del ricevitore può essere ridotto (vedere la sezione 4 Linee guida meccaniche del vetro di copertura per maggiori dettagli).
La Figura 2. Percorsi critici di diafonia presenta il sistema VL53L5CX in un'applicazione tipica. Il vetro di copertura viene posizionato sulla parte superiore del modulo e viene lasciato uno spazio tra i due. Questo spazio è generalmente chiamato traferro e si misura in mm. I dati sperimentali mostrano che l'aumento della dimensione del traferro porta ad un aumento di:
- segnale di diafonia
- perdita di segnale
Interferenza di sistema
Il VL53L5CX è un dispositivo con un ampio FoV che consente un'elevata ricezione del segnale proveniente dal target. Allo stesso tempo, il segnale di diafonia è presente nell'array del ricevitore. Il crosstalk è definito come luce proveniente dall'emettitore del modulo e non riflessa dal bersaglio, ma che segue percorsi alternativi e indesiderati per raggiungere il ricevitore. Per questo motivo, il segnale di diafonia non porta alcuna informazione utile dal bersaglio (come la distanza e la riflettanza), e deve essere minimizzato. Il percorso ottico della diafonia è breve, quindi l'impulso di diafonia appare vicino a zero distanza/ritardo. La quantità di diafonia dipende dalla configurazione ottica, dalla geometria del vetrino coprioggetto e dalle proprietà. La diafonia può anche variare durante la vita del prodotto a causa di graffi o sporco sul vetro di copertura.
Figura 2. Percorsi critici di diafonia
La figura in alto mette in evidenza i tipici percorsi ottici che la luce, proiettata dall'emettitore, può seguire prima di raggiungere l'array del ricevitore.
I principali percorsi rappresentati sono:
- percorso del segnale di destinazione, contrassegnato con 1 nella figura sopra
- il percorso del segnale di diafonia all'interno del vetro di copertura, contrassegnato con 2 nella figura sopra
- il percorso del segnale di diafonia all'interno del traferro, contrassegnato con 3 nella figura sopra
Lo scopo del progetto dell'applicazione finale è minimizzare i segnali di diafonia e massimizzare il segnale target evitando qualsiasi ostacolo o attenuazione lungo il suo percorso.
In generale, il segnale di diafonia aumenta con lo spessore del vetro di copertura. Per ridurre al minimo il segnale di diafonia, si consiglia di utilizzare la scelta del vetro di copertura più sottile disponibile. Per interrompere il percorso di diafonia che si propaga attraverso il vetro di copertura, si consiglia di utilizzare un blocco della luce come mostrato nella figura seguente.
Il segnale di diafonia diminuisce quando si riduce la dimensione del traferro, vedere la sezione 6 Conclusioni e la tabella riepilogativa per maggiori dettagli. Pertanto, si consiglia di avere il più piccolo traferro possibile.
Per interrompere il percorso di diafonia che si propaga attraverso il traferro si consiglia di utilizzare una guarnizione. Specifico materiale scuro come il neoprene può essere posizionato al centro dello spazio traferro per interrompere il percorso della luce diafonia (Yoder, PR, Opto-Mechanical Systems Design, 3rd Ed., CRC Press, 2006 e Harris, DC, Materials for Infrared glasss e Domes, Properties and Performance, SPIE Press, Bellingham, 1999).
Per traferri >0.7 mm, è necessaria una guarnizione per garantire che il livello del segnale di diafonia sia mantenuto al di sotto del limite massimo consigliato di 100 kcps.
L'effetto crosstalk ha diversi impatti negativi, come un aumento di:
- perdita di segnale
- non linearità variabile
- deviazione standard variabile
Inoltre, il segnale di diafonia dipende dalla temperatura così come il segnale target. In generale, il segnale di diafonia aumenta con l'aumento della temperatura.
Figura 3. Configurazione dell'applicazione finale VL53L5CX
Immunità alla diafonia VL53L5CX
Per beneficiare delle massime prestazioni del dispositivo, il driver VL53L5CX include una funzione di calibrazione dedicata alla compensazione del crosstalk. La calibrazione della diafonia deve essere eseguita una volta presso la linea di produzione del cliente. Questa procedura di calibrazione deve essere eseguita per compensare la diffusione del vetro di copertura da parte a parte che potrebbe influire sulle prestazioni del dispositivo. I dati di calibrazione memorizzati nell'host devono essere caricati nel modulo VL53L5CX ad ogni avvio per applicare la compensazione della diafonia alle misure acquisite. I dati di calibrazione possono essere caricati sul modulo VL53L5CX solo utilizzando la funzione driver dedicata.
Design del vetro di copertura
Il segnale di diafonia è molto sensibile al design e alla struttura del vetro di copertura. Le proprietà di fabbricazione del vetro di copertura influenzano i fenomeni di diffusione della luce e di conseguenza la diafonia come mostrato nella figura sottostante. Ad esempio, particelle e difetti cristallini incorporati all'interno del vetro di copertura aumentano la diffusione della luce. Allo stesso modo, la topografia della superficie del vetro di copertura e la rugosità della superficie influiscono sulla diafonia.
Per evitare l'effetto di dispersione della luce e ridurre il segnale di diafonia, il vetro di copertura deve essere fabbricato in modo da avere:
- nessun difetto nella struttura cristallina o nella parte superiore dello strato superficiale
- nessuna impurità o dislocazione all'interno della struttura
- nessuna sbavatura o artefatti superficiali
Figura 4. Diffusione della luce esample dovute a difetti interni o rugosità superficiali
trasmissione ottica
Dal punto ottico di view, il vetro di copertura deve consentire la trasmissione della luce IR emessa dal modulo VCSEL a 940 nm con 1.6 nm a tutta larghezza a metà massimo (FWHM) e ricevuta dall'array SPAD incorporato all'interno del modulo. È necessario che la trasmissione ottica del vetro di copertura sia superiore all'87% in questa larghezza di banda.
La tabella seguente mostra l'evoluzione stimata della distanza massima sulla trasmittanza:
Tabella 1. Evoluzione della distanza massima
| Trasmittanza [%] | Distanza massima stimata [mm] (1) |
| 100 | 4000 millimetri |
| 90 | 3800 millimetri |
| 80 | 3600 millimetri |
| 70 | 3400 millimetri |
| 50 | 3000 millimetri |
| 20 | 2400 millimetri |
Example della modalità 4×4, condizioni di oscurità, riflettanza target bianco 88%, frequenza di intervallo 30 Hz, con impostazioni driver predefinite
Tutti i segnali non trasmessi dal vetro di copertura vengono persi o possono potenzialmente trasformarsi in diafonia. Perdita di
il segnale influisce direttamente sulle prestazioni del modulo VL53L5CX e sulla distanza massima di portata. Si consiglia di avere la massima trasmittanza possibile del vetro di copertura.
Rivestimento in vetro di copertura
I vetrini coprioggetto sono normalmente rivestiti con materiale diverso per scopi diversi.
- Inchiostro colorato per motivi estetici
- Filtro IR per tagliare tutta la luce indesiderata nella trasmissione IR. Normalmente il rivestimento del filtro viene depositato sul lato posteriore della finestra.
- ARC: rivestimento antiriflesso per ridurre la riflettanza superficiale.
- AFC: rivestimento anti-impronta per aumentare la protezione delle impronte digitali.
È importante notare che il rivestimento superficiale può generare ulteriori segnali di diafonia. Infatti, qualsiasi strato trasmissivo depositato sul vetro di copertura potrebbe fungere da percorso ottico per guidare la luce di diafonia dall'emettitore al ricevitore.
Nota:
Quando possibile, evitare l'uso di qualsiasi rivestimento per vetro di copertura, almeno nelle aree di esclusione definite nella Sezione 4 Linee guida meccaniche per vetro di copertura. Si consiglia di utilizzare rivestimenti esterni che non degradino l'immunità all'impronta digitale (ad esample, rivestimenti anti-impronta o anti-riflesso con funzione anti-impronta) al fine di ridurre l'effetto sbavatura o la perdita di segnale.
Foschia
La foschia è definita come la percentualetage di luce che, attraversando un certo materiale, devia dal raggio incidente, in media, di un angolo maggiore di 2.5 gradi.
Il segnale di diafonia aumenta sperimentalmente con il quadrato del percentile di foschia. Si consiglia di avere una foschia inferiore al 2% della luce totale emessa (1%, 940 nm IR).
Inclinazione del vetro di copertura e parallelismo della superficie
Le superfici superiore e inferiore del vetro di copertura devono essere entrambe parallele alla superficie del dispositivo. Idealmente, qualsiasi inclinazione del vetrino coprioggetto deve essere evitata per ridurre i segnali di diafonia.
Se vincoli meccanici richiedono l'inclinazione del dispositivo, l'utente deve assicurarsi che la diafonia massima sia inferiore a 100 kcps. L'inclinazione massima consigliata è indicata nella Tabella 4. Linee guida e tabella riepilogativa del coprioggetto.
Coprire i materiali in vetro
Si consiglia un unico materiale per il design del vetro di copertura; i multimateriali possono alterare le prestazioni o aumentare l'effetto di diffusione della luce interna. I materiali suggeriti sono:
- Bicchiere
- Vetro zaffiro
- Polimetilmetacrilato (PMMA)
- Policarbonato
Linee guida meccaniche del vetro di copertura
Questa sezione fornisce informazioni sulle dimensioni geometriche del modulo VL53L5CX necessarie per calcolare le dimensioni minime dell'apertura dello strato di rivestimento del vetro di copertura. Vedere la figura sottostante.
- L'apertura meccanica del ricevitore è circolare con diametro 0.51 mm (area 0.4086 mm2).
- L'apertura meccanica dell'emettitore è rettangolare con una larghezza di 0.72 mm e un'altezza di 0.80 mm (area
0.576 mm2). - La distanza tra il centro dell'emettitore ottico e il centro del ricevitore ottico è di 4 mm come riportato nella figura sottostante.
- È facoltativo disporre di un'ampia apertura del vetrino coprioggetto o di due aperture separate. La decisione finale è in parte estetica, in parte funzionale. Due aperture possono offrire una migliore immunità alla diafonia, in particolare nei design senza guarnizione.
Nota:
È importante allineare le aperture con i centri ottici del VCSEL, come sopra. Non sono gli stessi dei centri meccanici. Ulteriori dettagli meccanici sono disponibili nella scheda tecnica.
Per progettare le dimensioni finali, si suppone inizialmente di avere aperture rettangolari con dimensioni qui denominate aR, bR lato ricevitore e aT, bT lato trasmettitore. Le diagonali di questi rettangoli rappresentano i diametri, qui denominati dR e dT, delle aperture circolari che si creano nel rivestimento del vetrino coprioggetto. Le aperture del rivestimento del vetro di copertura sono allineate concentricamente alle aperture del modulo (vedere la figura seguente).
Figura 7. Esample di rivestimento in vetro di copertura con singola apertura
Conoscendo il cono di esclusione del collettore del modulo VL53L5CX, 61º lungo la direzione y e 55.5º lungo la direzione x (per maggiori dettagli fare riferimento al disegno di massima del modulo VL53L5CX), è possibile calcolare le aperture minime del vetro di copertura utilizzando la seguente formule. Vedere le figure seguenti come riferimento per il calcolo.
Figura 8. Apertura Tx del vetro di copertura nella direzione x
aT, corrispondente al cono di esclusione del collettore di 55.5º, può essere calcolato con la seguente formula.
Analogamente bT, corrispondente ai 61° del cono di esclusione del collettore, può essere calcolato come segue.
Il diametro del cerchio circoscritto che copre l'apertura rettangolare nella finestra di copertura può essere calcolato come:
Analoghe formule possono essere scritte per il lato Rx, sostituendo nel precedente TxPyramidApex = 0.63 mm con RxPyramidApex = 0.45 mm. Quando si utilizza una finestra di copertura con una singola apertura (vedere Figura 7. Esample del rivestimento del vetrino coprioggetto ad apertura singola), le due dimensioni dell'apertura sono denominate W (larghezza) e L (lunghezza). Aggiungendo una tolleranza di t = 200 µm su ciascun lato del modulo, è possibile calcolare W come segue.
Utilizzando dT, essendo maggiore di dR, è possibile calcolare L con la seguente formula.
Tabella 2. Calcolo delle dimensioni del vetro di copertura riporta tutti i risultati calcolati utilizzando le diverse dimensioni del traferro fornite nella prima colonna.
Tabella 2. Calcolo delle dimensioni del vetro di copertura
| intercapedine d'aria | 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 |
Le dimensioni presuppongono uno spessore del vetro di copertura di 0.5 mm e la dimensione indicata è sul lato superiore del vetro.
Questo calcolo include 2º di tolleranza angolare (θtolerance) oltre al cono di esclusione del collettore (vedi figura sotto), quindi i risultati del calcolo sono riportati nella Tabella 3. Calcolo del coprioggetto con tolleranza di 2 gradi.
Figura 10. Apertura Tx del vetro di copertura con tolleranza angolare nella direzione x
Tabella 3. Calcolo del coprioggetto con tolleranza di 2 gradi
| intercapedine d'aria | 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 |
Le dimensioni presuppongono uno spessore del vetro di copertura di 0.5 mm e la dimensione indicata è sul lato superiore del vetro.
Se la finestra del coperchio non è parallela alla superficie del modulo VL53L5CX, potrebbe verificarsi un certo beccheggio o rollio, come mostrato nella figura seguente.
Figura 12. Passo del vetro di copertura o rotazione del rullo
In caso di rotazione beccheggio e rollio della finestra di copertura, le dimensioni e la forma delle aperture cambiano come mostrato di seguito e devono essere ricalcolate.
Il calcolo può essere fornito in un documento separato, se necessario. Contattare l'ufficio di assistenza clienti ST per ulteriori informazioni.
Figura 13. Forme di apertura con rotazione del vetro di copertura
Compensazione diafonia
- La compensazione della diafonia è una funzione incorporata nel firmware VL53L5CX. Consente la compensazione dell'effetto di diafonia, sulla base dei risultati della caratterizzazione e dei dati di calibrazione. La procedura per la caratterizzazione del crosstalk è dettagliata nel manuale utente VL53L5CX (UM2884).
- In generale, minore è la diafonia, più facile è compensare. Inoltre, minore è la variazione di diafonia dovuta a sbavature o foschia, più facile è compensare sul campo.
- Un vetro di copertura con un design o una fabbricazione di scarsa qualità aumenta il livello di diafonia. Allo stesso modo, sbavature o foschia sulla parte superiore del vetro di copertura degradano il rapporto tra segnale target e diafonia.
- La figura seguente mostra un esample della distanza in caso di alti livelli di diafonia. La distanza di distanza viene riportata rispetto alla distanza reale del bersaglio. Ciò significa che la linea tratteggiata rappresenta la curva ideale in cui l'errore di distanza è zero. Più alto è il segnale di diafonia, maggiore è l'influenza sulla linearità della portata a breve distanza.
Figura 14. Distanza rispetto alla distanza del target per un livello elevato di diafonia
La figura successiva mostra un example di distanza nel caso di bassi livelli di segnale di diafonia. Mostra
che la compensazione della diafonia ha un effetto minore sulla linearità del segnale di distanza nelle brevi distanze. L'errore di distanza scende a zero quando la distanza del target è maggiore della distanza di immunità al crosstalk, che attualmente è di ~600 mm per VL53L5CX.
Figura 15. Distanza rispetto alla distanza del bersaglio per un basso livello di diafonia
Guarnizioni
Le guarnizioni riducono la diafonia tra il segnale vero e le riflessioni spurie dal segnale trasmesso. La guarnizione ideale dovrebbe essere abbastanza spessa da riempire l'intera intercapedine d'aria tra il dispositivo e il vetro di copertura. La guarnizione dovrebbe contenere due aperture sufficientemente grandi da consentire il passaggio senza impedimenti dell'intero cono Tx o Rx, formando al contempo una barriera luminosa tra i canali Rx e Tx. La guarnizione dovrebbe coprire l'area massima possibile tra i canali Rx e Tx senza ostacolare le zone di sicurezza.
Conclusione e tabella riassuntiva
- Le dimensioni del traferro e le proprietà del vetro di copertura influenzano il livello dei segnali di diafonia.
- I risultati sperimentali mostrano che si consiglia un traferro < 0.4 mm. Se si utilizza un traferro maggiore, potrebbe essere necessaria una guarnizione per ridurre la diafonia.
- I dettagli dei vetri consigliati sono riportati nella tabella riepilogativa sottostante.
Tabella 4. Linee guida per i vetrini coprioggetto e tabella riassuntiva
| Parametro | Specifiche consigliate per le massime prestazioni | ||
|
Parametro ottico |
Livello massimo del segnale di diafonia accettato | 100 kbit/s (massimo) | |
| Trasmittanza a 940 nm | >87% | ||
| Foschia di trasmissione (visibile) | < 2% | ||
| Foschia di trasmittanza (IR) | < 1% | ||
|
Parametro meccanico |
Intercapedine d'aria(1) | Senza guarnizione | < 0.4 millimetri |
| Intercapedine d'aria + spessore vetro coprioggetto | <1.5 millimetri | ||
| Inclinazione del vetro di copertura | ±10°(2) | ||
| Numero di aperture del vetro di copertura | Sono preferibili due fori circolari per proteggere la trappola luminosa | ||
- L'aumento del traferro potenzialmente aggiunge diafonia. La diafonia può essere limitata con l'uso di una guarnizione. I traferri <0.4 mm mantengono la diafonia al di sotto dei limiti consigliati. I traferri >0.7 mm richiedono che una guarnizione rimanga entro il limite di diafonia di 100 kcps.
- La tolleranza di montaggio è ±2º
Nota:
I dati riportati sopra si riferiscono al vetro di copertura finale, inclusi eventuali rivestimenti applicati.
Per un particolare vetro di copertura chiavi in mano realizzato da terzi, contatta il tuo ufficio commerciale ST.
Acronimi e Abbreviazioni
Tabella 5. Acronimi e abbreviazioni
| Acronimo/abbreviazione | Definizione |
| AFC | rivestimento anti impronte |
| ARCO | rivestimento antiriflesso |
| copia di codice | numero di fotoni al secondo |
| Campo visivo | campo di view |
| FWHM | tutta la larghezza a metà massimo |
| IR | infrarosso |
| Polimetilmetacrilato | polimetilmetacrilato |
| Rx | ricevitore |
| SPAD | diodo a valanga a singolo fotone |
| ToF | Tempo di volo |
| Tx | trasmettitore |
| VCSEL | laser ad emissione superficiale a cavità verticale |
Cronologia delle revisioni
Tabella 6. Cronologia delle revisioni del documento
| Data | Versione | Cambiamenti |
| 21-nov-2022 | 1 | Versione iniziale |
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Documenti / Risorse
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Modulo sensore di tangenza ST VL53L5CX [pdf] Guida utente VL53L5CX, Modulo sensore di tangenza, VL53L5CX Modulo sensore di tangenza, Modulo sensore, Modulo, AN5856 |
