27.04.2023

Höhere Bildraten für 3D-Bildgebung

Neues Projekt für Kamerasysteme auf der Basis von Sensoren aus amorphem Silizium.

Ob in der Automobilindustrie, der Medizintechnik, in Sicherheits­systemen oder in Smartphones: 3D-Kameras finden immer größere Verbreitung und Verwendungs­möglichkeiten. Ein Verfahren, das sich wegen seiner Benutzer­freundlichkeit bei 3D-Kamerasystemen immer mehr durchsetzt, ist das Laufzeit­verfahren. Dabei können aus der Zeitdifferenz zwischen einem ausgesendeten und dem vom Objekt reflektierten Lichtimpuls genaue Entfernungen bestimmt und somit Bilder mit räumlicher Tiefe produziert werden.

Abb.: Andreas Bablich von der Universität Siegen bei der Arbeit im Reinraum....
Abb.: Andreas Bablich von der Universität Siegen bei der Arbeit im Reinraum. (Bild: H. Manderbach, U. Siegen)

Allerdings benötigt die vergleichs­weise aufwendige Sensorik relativ viel Chipfläche, ist somit teuer, und für mögliche Anwendungs­felder mit hohem Integrations­grad begrenzt. Wissenschaftler der Universität Siegen arbeiten in dem neuen Forschungsprojekt „Ultra-Sense 3D“ an neuartigen, hochpräzisen und leistungsstarken 3D-Kamerasystemen basierend auf der Focus-Induced Photoresponse (FIP). „FIP ist eine recht neuartige Technologie, deren Grundstein durch intensive Forschungs­aktivitäten bei uns am Zentrum für Sensorsysteme der Universität Siegen, gelegt wurde“, erklärt Andreas Bablich, der gemeinsam mit Peter Haring Bolívar das Projekt leitet. Die Forschung soll sich nun auf die Leistungspotentiale von 3D-fähigen FIP-Sensoren auf Basis von amorphem Silizium konzentrieren. Das Projekt wird von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft mit knapp einer dreiviertel Million Euro für drei Jahre gefördert. 

FIP-Sensoren können weitaus empfindlicher als aktuelle Konzepte hochpräzise Tiefen­informationen über große Distanzen in nur einem Bildpunkt identifizieren. Denn beim FIP-Effekt wird nicht nur die Menge des einfallenden Lichts vom Sensor gemessen, sondern auch die Größe des Lichtflecks, was exakte Messungen von Entfernungen in Echtzeit ermöglicht und das auch dann, wenn das Umgebungslicht nicht besonders gut ist. „Allerdings sind die Auslese­geschwindigkeiten und Empfindlichkeiten aktueller FIP-Detektoren basierend auf organischen oder bleihaltigen Materialien massiv eingeschränkt“, sagt Bablich.

In dem neuen Ansatz wurden daher in der Siegener Arbeitsgruppe FIP-Sensoren auf Basis amorphen Siliziums entwickelt, die aktuell einen um etwa zwei Größenordnungen schnelleren, sensitiveren und steuerbaren FIP-Effekt aufweisen. Das aktive Material, amorphes Silizium, wird dünn und bei niedrigen Temperaturen auf einem Chip aufgebracht. Typische Schichtdicken liegen hierbei im Bereich von zehn Nanometer bis anderthalb Mikrometer. „Die Sensorkonzepte entwickeln, optimieren und charak­terisieren wir nicht nur am Lehrstuhl, sondern stellen die Sensoren auch im jetzigen Reinraum der Universität selbst her“, sagt Bablich.

Die Wissenschaftler haben neben der Sensorik außerdem ein neuartiges Auslese­konzept konzipiert, so dass Bildraten integrierter 3D-Kameras erheblich gesteigert und Rausch­einflüsse reduziert werden könnten. „Erste Abstands­messungen wurden bereits erfolgreich durchgeführt und die erzielten Auflösungen im Bereich von etwa 500 Mikrometern zeigen erhebliche Potentiale, das Verfahren der FIP-Detektion deutlich zu verbessern“, sagt Bablich. Ein mögliches zukunfts­orientiertes Anwendungsfeld sehen die Forscher bei der hoch­empfindlichen 3D-Szenenerkennung zum Beispiel in der Sicherheitstechnik oder in industriellen Qualitäts­kontrollen.

U. Siegen / JOL

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