VL53L0Xセンサー向けカバーウィンドウ設計の要点: 最適な性能を実現するために
STMicroelectronicsのVL53L0Xセンサーは、その小さなサイズと正確な距離測定能力で、多くのアプリケーションに革新をもたらしています。しかし、このセンサーの性能を最大限に引き出すためには、カバーウィンドウの設計が鍵となります。ここでは、VL53L0Xカバーウィンドウガイドラインに記載された内容について翻訳して解説します。
カバーウィンドウの光学的考慮事項
光学伝達 (Optical Transmission)
カバーウィンドウは940nmの赤外線光を透過させる必要があり、この光はセンサーによって放出され受信されます。VL53L0Xのパフォーマンスに直接影響するため、できるだけ高い透過率が求められます。930nmから950nmの範囲で、カバーウィンドウは90%以上の透過率を持つべきです。
ヘイズ (Haze)
ヘイズは粗さや粒子の含有量を表す指標で、低ヘイズのウィンドウが推奨されます。
カバーウィンドウの材料 (Cover Window Material)
カバーウィンドウはガラスかプラスチックで作られていることがあります。反指紋コーティングがクロストークを増加させる可能性があるため、排除エリアではこれを除去することが推奨されています。
カバーウィンドウの汚れ (Cover Window Dirt)
カバーウィンドウ上の汚れは、指紋やほこりなどが含まれ、センサーからの光に干渉する可能性があります。汚れによる光散乱を最小限に抑えるために、表面張力が高い保護フィルムやコーティングが用いられることがあります。
理想的な工業デザインとカバーウィンドウ
カバーウィンドウの理想的な特性
- カバーウィンドウは、プラスチックまたはガラス材料に構造的な欠陥がないこと。
- 表面の欠陥がなく、光の散乱やスマッジを引き起こさないこと。
- 赤外線領域（940 nm ±10 nm）で90%以上の透過率を持ち、低ヘイズであること。
- 反射性のコーティングを使用せず、指紋に対する免疫性を損なわないこと（反指紋や反反射コーティングなし）。
産業デザインの理想的なガイドライン
- エアギャップが小さく（0.5 mm未満）、窓が薄いこと。
- ウィンドウの傾きが2度未満であること。
- 公差が厳しいこと。
産業デザイン（ID）における推奨事項
IDの設計推奨事項
産業デザインには、ST社からの推奨事項を満たすことが統合者の責任です。これにより、VL53L0Xのパフォーマンスが最適化されます。
小さいエアギャップ（Figure 4の ‘E’ として示されている）と薄いカバーウィンドウは、理想的な設計であり、これによりクロストークが最小限に抑えられます。
エアギャップやカバーウィンドウの厚さを減らすことができない場合は、ガスケットの使用が必須となります。ガスケットはクロストークを減少させるのに役立ちます。
クロストークとは
クロストークは、エミッターから反射された信号がカバーウィンドウからセンサーに戻ってくることによって生じます。
VL53L0Xはある程度のクロストークを許容し、補償することができますが、これはできるだけ最小限に抑える必要があります。
クロストークの測定
クロストークは、VL53L0Xとカバーウィンドウを含むシステム全体を使用して測定されます。
カバーウィンドウが追加されることによる入力信号の増加量がクロストークとして定義され、測定された後にクロストーク補償を適用できます。
クロストーク補償
クロストーク補償は、VL53L0Xのファームウェアに組み込まれた機能で、特性評価結果に基づいてクロストーク効果を補償します。
クロストークの特性評価の手順は、VL53L0X APIユーザーマニュアルに詳述されています。
カバーウィンドウの配置
最適なパフォーマンスを実現するためには、カバーウィンドウはVL53L0Xに対して平行に配置する必要があり、これによってクロストークを低減し、透過を向上させることができます。クロストークはセンサーからの信号がカバーウィンドウに反射してしまうことにより生じるもので、センサーの精度に影響を与える可能性があります。
VL53L0X光学パス
クロストークの定義と測定
クロストークとは、エミッターからの信号がカバーウィンドウを反射してレシーバー（リターンアレイ）に到達することによって発生する信号です。VL53L0Xは、ある程度のクロストークを許容し、補償することが可能ですが、これを可能な限り最小化する必要があります。
クロストークの影響
クロストークの量は、カバーウィンドウの質によって変わり、その結果として測定データに影響を及ぼします。クロストークが多いほど誤差が大きくなることが示されています。
クロストーク補償
クロストーク補償は、VL53L0Xのファームウェアに組み込まれた機能で、特性評価に基づいてクロストーク効果を補償します。
カバーウィンドウの機械的考慮事項
エアギャップ
カバーウィンドウとVL53L0Xセンサーとの間の距離をエアギャップと呼びます。エアギャップが大きくなるにつれて、クロストークの量も増加します。そのため、エアギャップはできるだけ小さく保つことが、クロストークを最小限に抑えるために推奨されています。
エアギャップとクロストークの関係
長距離測定（>1000mm）には、エアギャップとカバーウィンドウの厚みの合計が1mm以内であることが望ましいです。
1000mm未満の測定では、エアギャップとカバーウィンドウの厚みの合計が2mm以内であることが推奨されています。これは、クロストークを減らし、測定の正確性を高めるためです。
600mm未満の短距離測定では、ウィンドウの厚みが2.0mmを超える場合、専用のIDデザイン研究が必要になります。これは、短距離での正確な測定を確保するためです。
組立公差
組立ての際には、エアギャップとカバーウィンドウの厚みに関する公差も考慮に入れる必要があります。これにより、組立て後のクロストーク量に一貫性を持たせることができます。
VL53L0Xの光学パス
ノイズパスをできるだけ最小化することが目標です。STの飛行時間（Time-of-Flight）センサーは、以下の2つの主要なパラメータを測定することでウィンドウ品質をモニタリングします。
- リターンシグナル：対象物からの反射信号（透過率）。
- クロストーク：カバーウィンドウの光散乱（ヘイズ）とIDアートワーク内の窓下の光反射を測定するkカウント/秒（kcps）。これには電話のデザインから生じる他のパラメータ（エアギャップ、電話ハウジングの光反射など）も含まれます。
クロストークと測定
- リターン：エミッターからの放出光が目標物から反射してリターンアレイに戻る信号。
- リターンアレイ上のクロストーク：エミッターからの放出光がカバーウィンドウから反射してリターンアレイに戻る信号。
VL53L0X光学パスとクロストーク
クロストーク
クロストークは、エミッターから放出された信号がカバーウィンドウに反射してレシーバー（リターンアレイ）に戻ってくる現象です。
VL53L0Xは、一定量のクロストークを許容し、その補償が可能ですが、できるだけ少なくする必要があります。
クロストーク測定
クロストークはVL53L0Xとカバーウィンドウを含む全システムで測定されます。
カバーウィンドウがシステムに追加されたときの追加信号量がクロストークとして定義されます。
クロストークの影響
クロストークは距離測定データに悪影響を及ぼす可能性があります。クロストークが高いほど誤差が大きくなることが見て取れます。
クロストーク補償
クロストーク補償はVL53L0Xファームウェアに組み込まれた機能で、特性評価結果に基づいてクロストーク効果を補償することを可能にします。
クロストークの特性評価手順はVL53L0X APIユーザーマニュアルに詳述されています。
VL53L0Xのクロストーク補償機能
クロストーク補償の能力
- クロストークが非常に高い場合でも、VL53L0Xはその影響を補償し、実際の目標距離に近い測定値を提供することができます。
この機能により、VL53L0Xはカバーウィンドウの影響を受けにくく、さまざまな環境条件下での使用においても信頼性の高い測定結果を提供することが可能です。開発者は、センサーを使用する製品の設計時に、この補償機能を活用することで、最終的なアプリケーションのパフォーマンスを向上させることができます。
VL53L0Xのクロストークとその補償
クロストークの影響
クロストークはVL53L0Xセンサーの距離測定精度に悪影響を及ぼす可能性があります。
クロストークの量が多いと、センサーが実際よりも遠くにある物体を検出していると誤解する可能性があります。
クロストーク補償の重要性
VL53L0Xはクロストークを検出し、ファームウェアによる補償機能を通じて測定精度を維持します。
クロストーク補償は、センサーがさまざまな環境条件やカバーウィンドウの違いに対応できるようにするために重要です。
クロストークの測定と管理
クロストークの測定は、センサーのパフォーマンスを評価し、最適な設定を決定するために不可欠です。
正確なクロストークの測定と管理は、センサーの信頼性と精度を最大化するために重要です。
まとめ
VL53L0Xセンサーのためのカバーウィンドウ設計は、センサーの性能を最大限に引き出す上で非常に重要です。適切な材料の選択、透過率、ヘイズの管理、そしてクロストークの最小化は、正確で信頼性の高い距離測定を実現するための鍵となります。このガイドが、VL53L0Xセンサーを使用するデバイスの開発者や設計者にとって、有用な情報を提供することを願っています。
