EIN GRÜNDLICHER EINBLICK IN DIE 3D-SENSORIK

Die Welt ist dreidimensional. Diese Aussage ist so selbstverständlich, dass die meisten von uns nie hinterfragen, wie wir sie wahrnehmen. Tatsächlich nimmt jedoch jedes unserer Augen ein zweidimensionales Bild auf – genau wie eine Kamera. Und erst in unserem Gehirn vollzieht sich das Wunder, aus diesen beiden zweidimensionalen Bildern eine dreidimensionale Wahrnehmung zu erschaffen. 

Heutzutage erwarten wir zunehmend von digitalen Systemen, dass sie mit der 3D-Welt interagieren – sei es, um Gestensteuerung zu interpretieren, Gesichtserkennung durchzuführen oder ein Fahrzeug automatisch zu steuern. Um diese Aufgaben zu bewältigen, müssen wir ihnen zumindest einen Teil unserer Fähigkeit zur Tiefenwahrnehmung vermitteln. 

Tiefenerfassung

In der digitalen Bildverarbeitung gibt es zwei grundlegende Ansätze für die 3D-Erfassung (Tiefenerfassung): Triangulation und Lichtlaufzeitmessung (ToF). Manchmal werden diese Techniken sogar kombiniert.  

Die Triangulation basiert auf der Geometrie. Eine Form der Triangulation – das binokulare Sehen – ist die Funktionsweise des menschlichen 3D-Sehens (stereoskopisches Sehen). Wir haben zwei horizontal voneinander getrennte Augen. Das bedeutet, dass jedes Auge die Welt aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel sieht. Dieser Unterschied in der Perspektive erzeugt eine Parallaxe, d. h. eine Verschiebung der Position eines Objekts relativ zum Hintergrund, je nachdem, mit welchem Auge man schaut. Unser Gehirn nutzt diese Parallaxeninformationen dann, um die Tiefe (Entfernung) von Objekten in unserem Sichtfeld zu erfassen und unsere einheitliche 3D-Wahrnehmung der Welt zu erzeugen. 

Das stereoskopische Sehen kann jedoch von den Lichtverhältnissen abhängig sein und erfordert deutlich strukturierte Oberflächen. Dies erschwert eine zuverlässige Umsetzung. Stattdessen nutzen Bildverarbeitungssysteme eine andere Form der Triangulation, die auf „strukturiertem Licht“ basiert. Das ist nur ein ausgefallener Name für das Projizieren eines Musters (wie eine Reihe von Linien oder zahlreiche Lichtpunkte) auf ein Objekt und das Analysieren der Verzerrung dieses Musters aus einem leicht veränderten Blickwinkel. Dies erfordert viel weniger Rechenleistung als die Nachbildung des echten binokularen Sehens und ermöglicht es einem Computer, Tiefeninformationen schnell zu berechnen und eine 3D-Szene zu rekonstruieren.

Bei einer Form der Tiefenerfassung mittels Triangulation wird ein strukturiertes Lichtmuster auf die Szene projiziert, und ein Bildgebungssystem analysiert die Verzerrung dieses Musters, um Tiefeninformationen für den beleuchteten Bereich abzuleiten.

Triangulationsverfahren eignen sich hervorragend für die hochauflösende Kartierung von Oberflächen. Sie funktionieren am besten über kurze Entfernungen und sind daher besonders nützlich für Aufgaben wie die Gesichtserkennung. 

Die Time-of-Flight-Bildgebung (ToF) gibt es in zwei verschiedenen Formen. Bei der „direkten Time-of-Flight“-Technik (dToF) wird die Szene mit Lichtimpulsen beleuchtet, und das System misst die Zeit, die die reflektierten Lichtimpulse für die Rückkehr benötigen. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, lässt sich diese Rücklaufzeit direkt in eine Entfernung umrechnen. Wird diese Berechnung für jedes Pixel eines Bildes separat durchgeführt, lässt sich für jeden Punkt in der Szene ein Tiefenwert ableiten. 

Die zweite Form von ToF ist das „indirekte Time-of-Flight“-Verfahren (iToF). Hier besteht die Beleuchtung aus einem kontinuierlichen, modulierten Signal. Das System misst die Phasenverschiebung dieser Modulation im zurückgestrahlten Licht. Daraus werden die Daten gewonnen, die zur Berechnung der Objektentfernungen verwendet werden. 

Die ToF-Technologie zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, große Flächen und Entfernungen schnell zu erfassen. Dadurch eignet sie sich ideal für Aufgaben wie die Raumvermessung bei Virtual-Reality-Headsets oder die Hinderniserkennung bei der Roboternavigation.

Bei der direkten Laufzeitmessung wird die Hin- und Rücklaufzeit von Lichtimpulsen gemessen und die Zeitintervalle in Entfernungswerte umgerechnet.

Anforderungen an die Lichtquelle für die 3D-Erfassung

Die Eigenschaften der Lichtquelle sind entscheidend für die Wirksamkeit und Genauigkeit sowohl der Triangulations- als auch der ToF-3D-Erfassungsmethoden. Jede Anwendung stellt zwar spezifische Anforderungen an die Beleuchtung, doch gibt es auch gewisse Gemeinsamkeiten. 

Die Triangulation profitiert von einer kohärenten Lichtquelle. Dies bietet mehr Flexibilität hinsichtlich der erzeugbaren Muster. Außerdem ermöglicht es die Erzeugung strukturierter Muster mit höherer Auflösung und die Aufrechterhaltung der Musterintegrität über größere Entfernungen hinweg. 

Eine Triangulationslichtquelle muss zudem über stabile Strahlausrichtungsmerkmale verfügen. Jegliche Schwankungen in diesem Bereich können zu ungenauen Tiefenmessungen führen. 

ToF-Systeme erfordern eine Lichtquelle, die entweder kurze, präzise Lichtimpulse (dToF) oder einen kontinuierlichen Lichtstrom aussenden kann, der mit hohen Frequenzen moduliert werden lässt (iToF). Die Präzision der Impulssteuerung und der Modulationsfrequenz mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten ist für eine genaue Entfernungsmessung von entscheidender Bedeutung.

ToF-Systeme, insbesondere solche, die mit Flutlicht große Flächen oder große Entfernungen abdecken, erfordern in der Regel eine höhere Ausgangsleistung als Triangulationssysteme. Dadurch wird sichergestellt, dass das zurückgestrahlte Licht eine ausreichende Intensität aufweist, um erfasst zu werden, und dass das System auch bei starker Umgebungsbeleuchtung einwandfrei funktioniert. 

Mit steigender Ausgangsleistung gewinnt die Energieeffizienz (das Verhältnis von optischer Ausgangsleistung zu elektrischer Eingangsleistung) zunehmend an Bedeutung. Besonders bei tragbaren (batteriebetriebenen) Geräten spielt die Energieeffizienz eine entscheidende Rolle.

Laser für eine bessere Tiefenerfassung

Diode erfüllen diese Anforderungen (sowohl für die Triangulation als auch für die TOF-Messung) besser als jede andere Lichtquelle. Leuchtdioden (LEDs) wurden in der Vergangenheit für einige Anwendungen der 3D-Sensorik eingesetzt, da sie leicht erhältlich und relativ kostengünstig sind. Doch da die Anforderungen an die Leistung und Effizienz von 3D-Sensorsystemen steigen, können LEDs diesen Anforderungen nicht wirklich gerecht werden. 

Ein Grund dafür ist, dass Diode eine einzigartige Kombination aus schmalem Spektralbereich, Kohärenz und Helligkeit bieten. Zusammen machen sie diese Laser ideal geeignet für die Erzeugung präziser, kontrastreicher und stabiler Strukturlichtmuster.  

Das schmale Spektralbereich der Laser erleichtert zudem das Herausfiltern von Umgebungslicht im Erfassungssystem erheblich. Dies verbessert die Leistung aller Arten von Sensorsystemen bei hellem Sonnenlicht oder in anderen gut beleuchteten Umgebungen. 

Die höhere Helligkeit von Diode verstärkt die Stärke des Rücksignals zusätzlich. Insbesondere bei TOF-Anwendungen führt dies zu kürzeren Verschlusszeiten, höheren Bildraten und einer besseren Erkennung von Objekten, die nicht stark reflektieren, sowie – ebenfalls – zu einer verbesserten Leistung in hell beleuchteten Umgebungen. LEDs haben aufgrund ihrer geringeren Intensität Schwierigkeiten, das gleiche Maß an Detailgenauigkeit und Tiefenschärfe zu erreichen.

Zudem bieten Diode gegenüber LEDs einen erheblichen Vorteil hinsichtlich Stromverbrauch und Größe. Da sie trotz ihrer kompakten Bauweise ein starkes Signal abgeben, eignen sie sich ideal für kompakte, batteriebetriebene Geräte. 

Schließlich lassen sich Diode wesentlich schneller schalten oder modulieren als LEDs. Diese schnelle Modulation ermöglicht fortschrittliche ToF-Techniken, die eine höhere Genauigkeit bieten. 

Coherent bei der 3D-Sensorik

Coherent weltweit führend bei Lichtquellen für die 3D-Sensorik – wir haben bereits über 2 Milliarden Einheiten ausgeliefert! Unser Portfolio umfasst Laser, Optik und komplette Beleuchtungsmodule. 

Zu unseren Lichtquellen zählen vertikale Oberflächenemitter-Laser (VCSELs), VCSEL-Arrays und kantenemittierende Diode (EELs). 

Insbesondere VCSEL-Arrays – typischerweise mit einer Wellenlänge von 940 nm – haben sich heute zur vorherrschenden Lichtquelle für die 3D-Sensorik entwickelt. Dafür gibt es mehrere Gründe. Einer davon ist, dass das Licht bei einem VCSEL an der Oberseite des Bauteils austritt und nicht wie bei einem EEL an der Seite. Dies erleichtert die Integration auf einer Leiterplatte zusammen mit anderen Komponenten. Zudem sind VCSELs bei den in der 3D-Sensorik verwendeten Leistungsstufen kostengünstiger als EELs. Daher werden EELs in der Regel nur bei längeren Wellenlängen (>1200 nm) eingesetzt, wo noch keine VCSELs mit guter Leistung verfügbar sind. Der entscheidende Vorteil dieser längeren Wellenlängen liegt in einer robusteren Leistung bei hellem Sonnenlicht (sie ermöglichen es, praktisch das gesamte Sonnenlicht herauszufiltern) und einer erhöhten Augensicherheit (im Vergleich zu Nah-IR-Wellenlängen sind 10-mal höhere Leistungsstufen möglich).

Coherent eine ausgereifte Plattform für die Herstellung von VCSELs und EELs auf Basis von 6-Zoll-GaAs-Wafern. Dadurch konnten wir uns zum Marktführer in dieser Technologie entwickeln und liefern kontinuierlich Bauelemente mit herausragender Zuverlässigkeit und Leistung. 

Lichtquellen für die 3D-Erfassung werden in der Regel entweder als Flutlichtstrahler oder als Musterprojektoren eingesetzt. Flutlichtstrahler sorgen für eine homogene Ausleuchtung über einen bestimmten Winkel. Sie kommen in Anwendungen wie der Gesichtserkennung und der Gestenerkennung zum Einsatz, bei denen eine gleichmäßige Lichtverteilung über das gesamte Sichtfeld entscheidend für die Messgenauigkeit ist. 

Musterprojektoren kommen sowohl bei Triangulations- als auch bei ToF-Systemen zum Einsatz. Die Kombination von Lichtmustern mit ToF-Messungen verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und verringert durch Mehrwegausbreitung verursachte Messfehler. Dabei handelt es sich um Ungenauigkeiten, die auftreten, wenn das Licht von mehr als einer Oberfläche reflektiert wird, bevor es den Sensor erreicht.  

In jedem Fall wird die Laserleistung mithilfe von Optik so geformt und umgewandelt, Laserleistung sie genau den Anforderungen der jeweiligen Anwendung entspricht. Die Herstellung eines Flutlichtstrahlers lässt sich in der Regel mit relativ einfachen, kostengünstigen Kunststoffformlinsen bewerkstelligen. Die Anforderungen an strukturierte Lichtquellen sind jedoch strenger. 

Coherent die Anforderungen an die Beleuchtung mit strukturiertem Licht mithilfe diffraktiver optischer Elemente (DOEs) und Metaoptik. Letztere nutzt Nanostrukturen – physikalische Merkmale, die kleiner sind als die Wellenlänge Lichts –, um dessen Ausbreitungseigenschaften zu verändern. Dazu gehören die Veränderung der Strahlform, des Divergenzwinkels und der Intensitätsverteilung sowie die Aufspaltung des Strahls zur Erzeugung strukturierter Lichtmuster. 

Ein großer Vorteil Coherent besteht darin, dass sie mehrere optische Funktionen – wie Strahlkollimation und Strahlteilung – in einem einzigen kompakten Element vereinen kann. Dadurch lassen sich Größe und Komplexität des optischen Systems reduzieren und gleichzeitig die Gesamtleistung des 3D-Sensormoduls verbessern. 

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal von Coherent unsere Fähigkeit, eine komplette Beleuchtungsmodullösung zu entwickeln und vertikal zu integrieren. Diese Integration stellt sicher, dass Lichtquelle, Optik, Treiber-IC und Gehäuse nahtlos aufeinander abgestimmt sind, sodass wir unseren Kunden ein zuverlässiges, leistungsstarkes und dennoch kostengünstiges Produkt bieten können, das für den serienmäßigen Einsatz in den anspruchsvollsten Anwendungen bereit ist.

Coherent Flutlicht- und Punktprojektionsmodule Coherent .

So sind beispielsweise unsere Beleuchtungsmodule für die 3D-Erfassung darauf ausgelegt, elektronische Störgrößen (unerwünschte Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände) zu minimieren. Dies ist unerlässlich, um die Nanosekunden-Impulsbreite und Anstiegs-/Abfallzeiten im Sub-Nanosekundenbereich zu erzielen, auf die hochpräzise ToF-Sensoren angewiesen sind. Darüber hinaus legen wir großen Wert auf die Augensicherheit und integrieren Funktionen, die den Zustand des Geräts und die Ausgangsleistung überwachen, um sicherzustellen, dass die Lichtleistung unter allen Umständen stets innerhalb der festgelegten Sicherheitsgrenzwerte bleibt. Dies ist für Verbrauchergeräte unerlässlich.

Alles in allem Coherent mehr als nur erstklassige Komponenten: Sie erhalten ein Team, das die Feinheiten der 3D-Sensortechnologie versteht und eine vollständige, integrierte Lösung liefern kann, die die Geräteleistung verbessert und die Sicherheit der Nutzer gewährleistet. Durch eine Partnerschaft mit uns können Sie sich auf unsere langjährige Tradition der Spitzenleistung und unsere kontinuierliche Entwicklung photonischer Innovationen verlassen. 

Erfahren Sie mehr über Coherent für die 3D-Sensorik.

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