Ein tiefer Einblick in die 3D-Sensorik

Die Welt ist dreidimensional. Dieser Satz ist so leicht zu verstehen, dass die meisten Menschen nie an der Art und Weise gezweifelt haben, wie sie die Welt wahrnehmen. Tatsächlich nimmt jedes menschliche Auge jedoch jedes Mal ein zweidimensionales Bild auf, genau wie eine Kamera. Die 3D-Wahrnehmung entsteht aus den beiden zweidimensionalen Bildern, die von den beiden Augen aufgenommen werden – ein faszinierender Prozess, der ausschließlich im menschlichen Gehirn stattfindet. 

Heutzutage müssen digitale Systeme immer häufiger mit der 3D-Welt interagieren – sei es bei der Interpretation von Gesten, der Gesichtserkennung oder beim autonomen Fahren. Um diese Aufgaben zu bewältigen, müssen wir den digitalen Systemen zumindest einige der menschlichen Fähigkeiten zur räumlichen Wahrnehmung vermitteln. 

Tiefenerkennung

Im Bereich der digitalen Bildgebung kommen zwei grundlegende Verfahren zur 3D-Tiefenmessung zum Einsatz: die Triangulation und die Laufzeitmessung (Time-of-Flight, ToF). Manchmal werden diese beiden Techniken sogar kombiniert.  

Die Triangulation basiert auf der Geometrie. Das binokulare Sehen ist eine Form der Triangulation und die Funktionsweise des menschlichen 3D-Sehens (Stereosehen). Die Augen des Menschen sind horizontal voneinander getrennt. Das bedeutet, dass jedes Auge die Welt aus einem leicht unterschiedlichen Blickwinkel betrachtet. Dieser Winkelunterschied erzeugt eine Parallaxe, d. h., die Position eines Objekts im Verhältnis zum Hintergrund verschiebt sich je nachdem, mit welchem Auge man es betrachtet.Das Gehirn nutzt diese Parallaxeninformationen dann, um die Tiefe (Entfernung) von Objekten im Sichtfeld wahrzunehmen und eine einheitliche, zusammenhängende 3D-Wahrnehmung der Welt zu erzeugen. 

Allerdings hängt die Stereosicht möglicherweise von den Lichtverhältnissen ab und erfordert Oberflächen mit einer bestimmten Struktur. Dies erschwert die zuverlässige Umsetzung der Stereosicht. Im Gegensatz dazu nutzen Computer-Vision-Systeme eine andere Form der Triangulation, die auf strukturiertem Licht basiert. „Der Begriff „Strukturlicht“ klingt zwar kompliziert, bezeichnet jedoch lediglich das Projizieren eines Musters (z. B. einer Reihe von Linien oder unzähliger Lichtpunkte) auf ein Objekt und die Analyse der Verzerrung dieses Musters aus leicht unterschiedlichen Blickwinkeln. Im Vergleich zur Rekonstruktion des realen binokularen Sehens stellt diese Methode weitaus geringere Anforderungen an die Rechenleistung und ermöglicht es dem Computer, Tiefeninformationen schnell zu berechnen und 3D-Szenen zu rekonstruieren.

Bei einer Form der triangulativen Tiefenerfassungstechnik wird ein strukturiertes Lichtmuster auf die Szene projiziert; anschließend analysiert ein Bildgebungssystem den Grad der Verzerrung des Musters, um Tiefeninformationen über den beleuchteten Bereich zu gewinnen

Die Triangulationsmethode bietet Vorteile bei der Erstellung hochauflösender Oberflächenabbildungen. Diese Methode eignet sich am besten für Anwendungen mit kurzen Abständen und ist daher besonders nützlich für Aufgaben wie die Gesichtserkennung. 

Die Time-of-Flight-Bildgebungstechnik (ToF) gibt es in zwei verschiedenen Formen. Bei der „Direct Time-of-Flight“-Technik (dToF) wird die Szene mit Lichtimpulsen beleuchtet, und das System misst die Zeit, die der Lichtimpuls benötigt, um zurückzuprallen. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, lässt sich diese Laufzeit direkt in eine Entfernung umrechnen. Führt man diese Berechnung für jedes einzelne Bildpixel durch, erhält man den Tiefenwert für jeden Punkt in der Szene. 

Die zweite Form der ToF-Technologie ist die „indirekte Laufzeitmessung“ (indirect Time-of-Flight, iToF). Bei der iToF-Technologie besteht die Lichtquelle aus einem kontinuierlich modulierten Signal. Das System misst die Phasenverschiebung dieses Modulationsmusters im zurückkehrenden Licht. Auf diese Weise werden Daten zur Berechnung der Entfernung zum Objekt gewonnen. 

Der Vorteil der ToF-Technologie liegt darin, dass sie Messungen über große Flächen und große Entfernungen schnell durchführen kann. Dadurch eignet sie sich hervorragend für Aufgaben wie das Scannen von Räumen bei Virtual-Reality-Headsets oder die Hinderniserkennung bei der Roboternavigation.

Die Technologie der direkten Flugzeitmessung misst die Zeit, die ein Lichtimpuls für den Hin- und Rückweg benötigt, und wandelt die gemessene Zeit in eine Entfernung um

Anforderungen an 3D-Sensorlichtquellen

Die Eigenschaften der Lichtquelle sind ein entscheidender Faktor für die Wirksamkeit und Genauigkeit von Triangulations- und ToF-3D-Sensortechniken. Jede Anwendung stellt zwar spezifische Anforderungen an die Beleuchtung, doch gibt es auch gewisse gemeinsame Anforderungen. 

Die Verwendung kohärenter Lichtquellen bei der Triangulation bietet zahlreiche Vorteile und ermöglicht eine flexiblere Gestaltung der Muster. Außerdem lassen sich strukturierte Muster mit höherer Auflösung erzeugen, deren Integrität auch über größere Entfernungen erhalten bleibt. 

Eine trianguläre Lichtquelle muss zudem über stabile Strahlausrichtungsmerkmale verfügen. Jede Schwankung dieser Merkmale kann zu ungenauen Tiefenmessungen führen. 

ToF-Systeme erfordern eine Lichtquelle, die präzise kurze Lichtimpulse (dToF) oder einen hochfrequenzmodulierten Dauerstrahl (iToF) aussenden kann. Für eine genaue Entfernungsmessung sind präzise Impulszeiten mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten sowie die Modulationsfrequenz von entscheidender Bedeutung.

ToF-Systeme (insbesondere solche, die mit Flutlicht große Flächen oder große Entfernungen abdecken) erfordern in der Regel eine höhere Ausgangsleistung als trianguläre Systeme. Dadurch wird sichergestellt, dass das zurückgesendete Licht ausreichend stark ist, um erfasst zu werden, und dass das System auch bei starkem Umgebungslicht einwandfrei funktioniert. 

Mit steigender Ausgangsleistung gewinnt die Anforderung an die Energieeffizienz (das Verhältnis von optischer Ausgangsleistung zu elektrischer Eingangsleistung) zunehmend an Bedeutung. Insbesondere bei tragbaren Geräten (die mit Batterien betrieben werden) ist die Effizienz von entscheidender Bedeutung.

Laser tragen zu einer höheren Qualität der Tiefenerfassung bei

Diodenlaser erfüllen diese Anforderungen (für Triangulation und TOF-Sensortechnik) besser als jede andere Lichtquelle. In einigen 3D-Sensorik-Anwendungen kommen bereits seit Langem Leuchtdioden (Light Emitting Diode, LED) zum Einsatz, da diese leicht erhältlich und relativ kostengünstig sind. Doch angesichts der ständig steigenden Anforderungen an die Leistung und Effizienz von 3D-Sensorsystemen werden LEDs diesen Anforderungen zunehmend nicht mehr gerecht. 

Ein Grund dafür ist, dass Diodenlaser mehrere einzigartige Eigenschaften aufweisen: eine schmale spektrale Ausgangsleistung, Kohärenz und hohe Helligkeit. Diese Eigenschaften machen Diodenlaser besonders geeignet für die Erzeugung präziser, kontrastreicher und stabiler strukturierter Lichtmuster.  

Da der Laser ein schmales Spektralband aufweist, lässt sich Umgebungslicht im Detektionssystem mühelos herausfiltern. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit verschiedener Sensorsysteme bei hellem Sonnenlicht oder in anderen lichtreichen Umgebungen verbessert. 

Diodenlaser zeichnen sich durch eine höhere Lichtstärke aus, wodurch sich die Leistung des Rücksignals weiter steigern lässt. Insbesondere für TOF-Anwendungen bedeutet dies kürzere Lichtschrankenzeiten, höhere Bildraten sowie eine bessere Erkennung von Objekten mit geringer Reflektivität. Ebenso verbessert sich dadurch die Leistung des Systems in hell beleuchteten Umgebungen. Aufgrund ihrer geringeren Intensität ist es bei LEDs schwierig, ein vergleichbares Maß an Detail- und Tiefenauflösung zu erreichen.

Darüber hinaus bieten Diodenlaser im Vergleich zu LEDs deutliche Vorteile hinsichtlich Leistungsaufnahme und Größe. Da Diodenlaser kompakt sind und dennoch ein starkes Signal aussenden können, eignen sie sich ideal für batteriebetriebene Kompaktgeräte. 

Schließlich ist die Schalt- oder Modulationsrate von Diodenlasern wesentlich höher als die von LEDs. Diese schnelle Modulation ermöglicht den Einsatz fortschrittlicher ToF-Technologien mit höherer Genauigkeit. 

Coherent Bereich der 3D-Sensorik führend

Coherent der weltweit führenden Anbieter im Bereich der 3D-Sensor-Lichtquellen – unsere Gesamtliefermenge beläuft sich auf über 2 Milliarden Stück! Unser Produktportfolio umfasst Laser, optische Komponenten und komplette Beleuchtungsmodule. 

Zu unseren Lichtquellen zählenvertikale Oberflächenemitter-Laser (VCSEL),VCSEL-Arrays und Diode (EEL). 

Insbesondere VCSEL-Arrays (mit einer typischen Wellenlänge von 940 nm) haben sich mittlerweile als die vorherrschende Lichtquelle für die 3D-Sensorik etabliert. Dafür gibt es mehrere Gründe. Einer davon ist, dass VCSELs das Licht von der Oberseite des Bauteils ausstrahlen und nicht, wie EELs, von der Seite. Dies erleichtert die Integration von VCSELs mit anderen Komponenten auf der Leiterplatte.Zudem sind VCSELs bei den in der 3D-Sensorik verwendeten Leistungsstufen kostengünstiger als EELs. Daher werden EELs in der Regel nur im Bereich längerer Wellenlängen (>1200 nm) eingesetzt. Die entscheidenden Vorteile dieser längeren Wellenlängen sind eine robustere Leistung bei hellem Sonnenlicht (sie filtern fast das gesamte Sonnenlicht heraus) sowie eine höhere Augensicherheit (die Leistungsstufen können bis zu zehnmal höher sein als bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich).

Auf der Grundlage von 6-Zoll-GaAs-WafernCoherent eine ausgereifte Fertigungsplattform für VCSELs und EELsCoherent . Dies hat uns zum Marktführer in diesem Technologiebereich gemacht und ermöglicht es uns, stets Geräte mit herausragender Zuverlässigkeit und Leistung anzubieten. 

3D-Sensorlichtquellen werden in der Regel alsFlutlichtstrahler oder Musterprojektoreneingesetzt. Flutlichtstrahler bieten eine gleichmäßige Lichtabdeckung in einem bestimmten Winkel und werden für Anwendungen wie Gesichtserkennung und Gestenerkennung verwendet. Für solche Anwendungen ist eine gleichmäßige Lichtverteilung über das gesamte Sichtfeld entscheidend, um die Messgenauigkeit zu gewährleisten. 

Musterprojektoren werden in der Praxis für Triangulations- und ToF-Systeme eingesetzt. Die Kombination von Lichtmustern mit ToF-Messungen verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und verringert Messfehler, die durch Mehrwegausbreitung entstehen. Diese Fehler entstehen durch Ungenauigkeiten, die dadurch verursacht werden, dass das Licht vor dem Auftreffen auf den Sensor mehrfach von Oberflächen reflektiert wird.  

In beiden Konfigurationen werden optische Komponenten eingesetzt, um den Laserausgang so zu formen und umzuwandeln, dass er den genauen Anforderungen der jeweiligen Anwendung entspricht. Für die Herstellung von Flutlichtstrahlern kommen in der Regel relativ einfache und kostengünstige, geformte Kunststofflinsen zum Einsatz. An strukturierte Lichtquellen werden jedoch strengere Anforderungen gestellt. 

Die diffraktiven optischen Elemente (DOE)und die metaanoptische Technologie von Coherenterfüllen die Anforderungenan die strukturierte Lichtbeleuchtung. Die metaanoptische Technologie nutzt Nanostrukturen (physikalische Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts), um die Ausbreitungseigenschaften zu verändern. Dazu gehören unter anderem die Veränderung der Strahlform, des Divergenzwinkels und der Intensitätsverteilung sowie die Aufspaltung des Lichtstrahls zur Erzeugung strukturierter Lichtmuster. 

Coherent Vorteil Coherent besteht darin, dass sich verschiedene optische Funktionen – wie beispielsweise Strahlausrichtung und Strahlteiler – in einem einzigen kompakten Bauteil vereinen lassen. Dies ermöglicht eine Verkleinerung des optischen Systems und eine Verringerung seiner Komplexität sowie eine Steigerung der Gesamtleistung von 3D-Sensormodulen. 

Coherent entscheidender Wettbewerbsvorteil Coherent unsere Fähigkeit, komplette Beleuchtungsmodullösungen zu entwickeln und vertikal zu integrieren. Diese Integration gewährleistet, dass Lichtquelle, optische Komponenten, Treiber-ICs und Gehäuse vollständig aufeinander abgestimmt sind und nahtlos zusammenwirken. So können wir unseren Kunden zuverlässige, leistungsstarke und kostengünstige Produkte anbieten, die sich jederzeit für den großflächigen Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen eignen.

Coherent Flutlichtmodule und Rasterprojektionsmodule

So sind unsere 3D-Sensor-Beleuchtungsmodule beispielsweise darauf ausgelegt, elektrische parasitäre Effekte (unnötige Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände) so weit wie möglich zu minimieren. Dies ist entscheidend für die Nanosekunden-Impulsbreite und die Subnanosekunden-Anstiegs- und Abfallzeiten, auf die hochpräzise ToF-Sensoren angewiesen sind. Darüber hinaus legen wir großen Wert auf die Augensicherheit und haben Funktionen zur Überwachung der Geräteintegrität und der Ausgangsleistung integriert, um sicherzustellen, dass die Lichtleistung unter allen Umständen stets innerhalb der vorgeschriebenen Sicherheitsgrenzen bleibt. Dies ist bei Geräten für den Endverbraucher unerlässlich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dassCoherent ige KomponentenCoherent : Unser Team verfügt über fundierte Kenntnisse im Bereich komplexer 3D-Sensortechnologie und bietet umfassende integrierte Lösungen, die die Geräteleistung steigern und die Sicherheit der Anwender gewährleisten. Durch die Zusammenarbeit mit uns können Sie sich auf unsere Tradition der Exzellenz und unsere unermüdliche Innovation bei der Entwicklung photonischer Produkte verlassen. 

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