LIDAR, optische Entfernungs- und Laufzeitmesssensoren
Vollständig integrierte dToF-Module und iToF-VCSEL-Beleuchtungen für Anwendungen im Nahbereich. Laserquellen für LIDAR-Systeme mit großer Reichweite.
Optische Abstandssensoren
Es gibt eine Reihe von Verfahren zur direkten Entfernungsmessung, bei denen die Länge des reflektierten Lichtwegs vom Laser über ein Ziel, an dem das Licht reflektiert wird, bis zurück zum Sensor gemessen wird. Diese Verfahren sind unter verschiedenen Bezeichnungen bekannt, darunter LIDAR und Laufzeitmesssensoren, obwohl sich ihre Funktionsprinzipien tatsächlich überschneiden.
Die wichtigsten Systemtypen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Sie werden im Wesentlichen durch die folgenden Schlüsselparameter definiert:
- Prinzip der optischen Entfernungsmessung: Dies ist die Methode, mit der die optische Tiefe in der z-Dimension gemessen wird. Die wichtigsten Ansätze sind indirekte Laufzeitmessung (iToF), direkte Laufzeitmessung (dToF) und frequenzmodulierte Dauerstrich-Technik (FMCW).
- Abtastarchitektur: Dies beschreibt, wie das System mehrere Tiefenpunkte über die x- und y-Achsen misst, um eine 3D-Tiefenkarte zu erstellen. Die wichtigsten Ansätze sind hier entweder ein einzelner Sender mit einem Sensorarray, ein Senderarray plus Sensorarray sowie Abtastspiegelsysteme mit nur einer einzigen Quelle/einem einzigen Detektor.
- Optische Apertur/Leistung: Es besteht ein Kompromiss zwischen optischer Leistung und Aperturgröße einerseits und der erreichbaren Reichweite andererseits. Es gibt zwei Hauptkategorien: kompakte Systeme mit geringer Leistung und kurzer Reichweite, zum Beispiel integrierte Module mit Wafer-Level-Optik für die Unterhaltungselektronik; sowie größere Systeme mit größerer Reichweite, die aus diskreten Bauteilen, leistungsstärkeren Quellen und Bulk-Optik mit größerer Apertur aufgebaut sind.
Alle arbeiten typischerweise im Infrarotspektrum. Dadurch lassen sich Störungen durch Umgebungslicht durch den Einsatz eines passenden Infrarot-Bandpassfilters am Empfänger minimieren, und das System bleibt für die Nutzer weitgehend unsichtbar.
Prinzipien der optischen Entfernungsmessung
Direkte Laufzeitmessung (dToF)
Die Laserquelle arbeitet im Pulsbetrieb, und die Zeit, die jeder Puls benötigt, um reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren, wird gemessen. Diese Zeit wird dann unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit in eine Entfernung umgerechnet. dToF-Systeme ermöglichen robuste Entfernungsmessungen bei geringem Stromverbrauch. Der Empfänger besteht jedoch in der Regel aus einem Einzelphotonen-Lawinendetektor und einer Zeitmessschaltung. Praktische Grenzen hinsichtlich der Größe des dafür realisierbaren Arrays schränken die Auflösung bei Festkörpersystemen in der Regel auf <100 Tiefenpunkte ein.
Indirekte Laufzeitmessung (iToF)
Die Laserquelle ist amplitudenmoduliert. Die Phasendifferenz zwischen dem durchgelassenen Licht und dem zum Sensor reflektierten Licht wird gemessen. Diese Phasendifferenz wird in Zeit umgerechnet und anschließend unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit in Entfernung umgerechnet. Der Empfänger kann als Teil eines speziellen Bildsensors implementiert werden, was hohe Auflösungen ohne bewegliche Teile ermöglicht. Allerdings ist iToF anfällig für Übersprechen und Mehrwegstörungen, wodurch es weniger robust ist als dToF-Systeme. Es wird in der Regel nur in Systemen mit kurzer Reichweite und hoher Auflösung eingesetzt.
Frequenzmodulierte Dauerstrahlung (FMCW)
Die Laserquelle arbeitet im Dauerstrichbetrieb (CW) und ist mit einer Sägezahnwellenform („Chirp“) frequenzmoduliert. Das reflektierte Signal wird optisch mit einem Referenzsignal der Quelle gemischt. Das resultierende Signal enthält dann eine dem Abstand entsprechende „Schwebungsfrequenz“, die mittels Spektralanalyse extrahiert wird. FMCW bietet im Vergleich zu dToF Vorteile hinsichtlich Robustheit und Leistung, darunter eine große Reichweite, eine geringe Senderleistung, eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht und die Möglichkeit, die Radialgeschwindigkeit direkt zu messen. Aufgrund der optischen Komplexität wird es derzeit jedoch in der Regel nur in spezialisierteren Systemen eingesetzt.
Scan-Architekturen
Einzelner Emitter + Detektorarray
Der gängigste Ansatz für iToF- und dToF-Systeme in Festkörperbauweise sieht die Verwendung eines einzelnen Flutlichtstrahlers und eines Detektorarrays vor. Bei Modulen mit kurzer Reichweite handelt es sich bei dem Emitter um einen VCSEL mit Diffusoroptik, um das erforderliche Sichtfeld zu erzielen, sowie um eine darauf abgestimmte Abbildungsoptik am Detektor. „Flash-LIDAR“-Systeme mit größerer Reichweite nutzen den dToF-Ansatz mit einem VCSEL-Array höherer Leistung oder einer kantenemittierenden Laserquelle sowie größeren Öffnungen auf jeder Seite.
Emitter-Array + Detektor-Array
Die Leistungsfähigkeit von dToF-/Flash-LIDAR-Systemen wird durch mehrere praktische Faktoren eingeschränkt. Um die Augensicherheit zu gewährleisten, ist die maximal übertragbare optische Leistung begrenzt, was sich wiederum auf die Reichweite auswirkt. Darüber hinaus ist für jeden Tiefenpunkt eine Zeitmessschaltung erforderlich, was die praktisch erreichbare Auflösung einschränkt. True-Solid-State-Lidar-Systeme (TSS) lösen diese Probleme, indem sie verschiedene Bereiche der Szene nacheinander mit Hilfe einer pixelierten Emitteranordnung beleuchten. Dadurch kann die verfügbare optische Leistung bei jedem Impuls stärker gebündelt werden, und die Pixel-TDCs können gemeinsam genutzt werden. Dies geht jedoch mit einer höheren Komplexität der Sendeelektronik einher.
Abtastspiegel
LIDAR-Systeme mit der größten Reichweite verwenden eine einzige Lichtquelle und einen Detektor und scannen damit die gesamte Szene ab. Dieser Ansatz ermöglicht eine Optimierung der Reichweite durch den Einsatz einer fokussierten Lichtquelle und einer hochpräzisen Zeitmessung. Darüber hinaus lässt sich mit nur einem einzigen Kanal auch der komplexere, aber leistungsstärkere FMCW-Ansatz einsetzen. Es sind verschiedene Abtastkonfigurationen möglich, darunter die zweidimensionale Abtastung mit einem MEMS-Spiegel und die eindimensionale Abtastung mit einem rotierenden Polygonspiegel.
Direkte Laufzeitmess-Sensormodule
ams OSRAM bietet vollständig integrierte Direkt-Time-of-Flight-Sensormodule an. Diese kompakten und stromsparenden Bausteine vereinen einen 940-nm-VCSEL (Laser), ein SPAD-Pixelarray (Single Photon Avalanche Photodiode), Zeit-Digital-Wandler (TDCs) sowie die gesamte erforderliche Signalverarbeitung, um eine direkte Entfernungsanzeige über I²C zu ermöglichen.
Es sind Geräte mit einer oder mehreren Zonen (bis zu 8×8) in Gehäusegrößen ab 2,2×3,6×1,0 mm erhältlich, mit Betriebsreichweiten und Sichtfeldern von bis zu 5 m bzw. 63 Grad.
Zu den Anwendungsbereichen zählen Autofokus für Kameras und Projektoren, Hinderniserkennung für Robotik und Drohnen, stromsparendes Aktivieren von Kamerasystemen, berührungslose Bedienung und Erkennung von Handgesten.
Weitere Informationen finden Sie in unserem Whitepaper: „Understanding Time-of-Flight Sensing “.
VCSELs und VCSEL-Module für die indirekte Laufzeitmessung
ams OSRAM bietet ein breites Sortiment an Infrarot-VCSELs und VCSEL-Modulen mit 850 nm und 940 nm für iToF-Systeme an. So liefern beispielsweise unsere
- BIDOS™ P2433 VCSEL-Module liefern bis zu 6,5 W in einem Gehäuse mit den Abmessungen 2,4 × 3,3 × 1,2 mm, verfügen über eine integrierte Fotodiode und bieten Sichtfelder von 60° × 45° sowie 72° × 58°.
Komplette Referenzdesigns für iToF-Systeme sind bei unseren Partnern erhältlich:
- Das „KEA Time of Flight Camera Development Kit“ von Chronoptics (Abbildung) enthält unsere BIDOS-VCSEL-Beleuchtungsmodule bei 940 nm und bietet eine Komplettlösung zur Beschleunigung und Vereinfachung der Integration von 3D-Tiefenerfassung in Produkte.
- Das Melexis EVK75027 iToF-Evaluierungskit enthält unseren für den Automobilbereich qualifizierten VCSEL-Beleuchter TARA-2000-AUT-SAFE. Es demonstriert ein komplettes VGA-Tiefenkamerasystem für die Überwachung des Fahrzeuginnenraums und die Gestenerkennung. Weitere Details zur Implementierung des augensicheren Beleuchtungssystems finden Sie in diesem Whitepaper.
VCSELs und EELs für LIDAR-Systeme mit großer Reichweite
ams OSRAM bietet sowohl VCSEL- als auch kantenemittierende Laser (EEL) für den Einsatz im gepulsten Betriebsmodus in LIDAR-Systemen an. Beide Lasertypen sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, beispielsweise als VCSEL-Arrays oder als ein- bis mehrkanalige kantenemittierende Laser, sowie in verschiedenen Leistungsstufen für eine Vielzahl von System- und Optikdesigns. Dank unserer firmeneigenen Wellenlängenstabilisierungstechnologie für Kantenemittierende Laser weisen diese Emitter nun eine geringe temperaturabhängige Wellenlängenverschiebung auf, die mit der von VCSEL vergleichbar ist.
Zu unseren Produkten gehören:
- SPL S4L90A_3 Das Flaggschiff des LiDAR-Portfolios von ams OSRAM: 4-Kanal-SMT-Laser im QFN-Gehäuse, wellenlängenstabilisiert, 905 nm, 220 µm, AEC-Q102
- SPL S1L90A_3 1-Kanal-SMT-Laser im QFN-Gehäuse, 905 nm, 125 W, 220 µm
- SPL DP90_3 Nanostack-Pulslaserdiode, 905 nm, 65 W, 110 µm, AEC-Q102
Live-Webinar: Hochauflösende Mehrzonen-Erfassung mit dem dToF-Sensor TMF8829.
Erfahren Sie, wie präzise 3D-Tiefenerfassung die Anwesenheitserkennung und das räumliche Bewusstsein in realen Anwendungen verbessern kann – von Robotik und Logistik bis hin zu Mobilgeräten, Wearables und anderen intelligenten Geräten.
Das erwartet Sie:
- Eine anschauliche Einführung in die direkte Time-of-Flight-Sensortechnologie
- Einen detaillierten Einblick in die Multi-Zone-dToF-3D-Tiefenerfassung mit Informationen zum TMF8829-Sensor: bis zu 48×32 Pixel, 11 m Reichweite und 80° Sichtfeld
- Ein Verständnis der On-Chip-Verarbeitung von Entfernungs-, Konfidenz- und Umgebungslichtdaten
- Beispiele für die Erkennung mehrerer Objekte und KI-fähige Tiefendaten in der Praxis
Anwendungsbereiche:
- Tiefenbasierte Objekterkennung und Szenenkartierung
- Gestensteuerung für Kopfhörer und Wearables
- Intelligente Geräte wie Rasenmäher oder Kaffeemaschinen
- Industrierobotik, Logistik und Kamera-Autofokus
Abonnenten erhalten Zugang zu zusätzlichen technischen Ressourcen. Nutzen Sie die Gelegenheit, in unserem Live-Webinar am 14. Januar 2026 mit unserem Experten David Smith zu sprechen.
