A brief history of Time-of-Flight:
Im ersten Teil der IMES Lecture zeigte Michael Lehmann vom IMES eindrücklich auf, wie sich die Time-of-Flight-(ToF)-Technologie von den ersten mechanischen Messungen bis zu den heutigen hochmodernen Systemen entwickelt hat und welche Meilensteine dabei durchschritten wurden. Bei einer solchen Laufzeitmessung wird ein Puls ausgesendet, der an einem Objekt reflektiert wird und zurückkehrt. Kennt man die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Pulses, lässt sich aus der gemessenen Laufzeit die Distanz zum Objekt berechnen. Bereits 1848 wurde dieses Prinzip mithilfe eines mechanischen Aufbaus zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit angewendet. Elektronische Messsysteme existierten zu dieser Zeit noch nicht, da sich die Elektrotechnik noch in der Anfangsphase befand. In den 1930er-Jahren kamen erste ToF-Messungen mit elektromagnetischen Wellen (Radar) auf. Bei bewegten Objekten konnte zusätzlich mittels Dopplereffekts auch deren Geschwindigkeit ermittelt werden. Ab 1960 wurden laserbasierte Systeme (Lidar) eingeführt, die aufgrund ihrer besseren Strahlbündelung gegenüber Radar-Systemen Vorteile boten. Mit der Einführung von CCD-Bildsensoren und Active Pixel Sensors (APS) in der Halbleitertechnologie wurde die Bildverarbeitung weiter verbessert. Heute kommen sogenannte Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs) in modernen ToF-Kameras zum Einsatz. Diese ermöglichen die direkte Zeitmessung einzelner Photonen und erlauben so die Erstellung hochauflösender 3D-Bilder. Grosse Unternehmen wie Apple oder STMicroelectronics nutzen dieses Prinzip in ihren State-of-the-Art-Produkten.
3D-Bildsensoren auf Basis der FMCW-Technologie:
Im zweiten Teil der IMES Lecture präsentierte Dr. Thomas Christen von der PointCloud GmbH die Frequency-Modulated Continuous-Wave Technologie – ein vielversprechendes Verfahren, das auch bei grossen Distanzen eine hohe Auflösung ermöglicht. Zudem spielt die Reflektivität des Zielobjekts – anders als bei Lidar-Systemen – keine entscheidende Rolle, was die Robustheit der Messung erhöht. Dabei wird mithilfe eines sogenannten Frequency-Chirps Licht moduliert und ausgesendet. Das zurückkehrende Signal wird mit dem ursprünglichen Signal gemischt. Aus dem resultierenden Frequenzoffset – der durch die Laufzeitverzögerung entsteht – lässt sich mithilfe einer FFT die Frequenzkomponente bestimmen, bei der beide Signale übereinstimmen. Diese Frequenz erlaubt eine präzise Berechnung der Entfernung zum Objekt. Bei bewegenden Objekten kann auch dank des Dopplereffekts dessen Geschwindigkeit bestimmt werden. Mit auf die Distanz optimierten Linsen können so auch Objekte in bis zu 200m Entfernung präzise vermessen werden. Zur Integration solcher Systeme setzt PointCloud auf eine optische Silicon-on-Insulator (SOI)-Technologie. Da es sich bei diesem System vorwiegend um ein analoges Design handelt, ging Dr. Christen vertieft auf die Verstärkung und Filterung des empfangenen Signals auf Transistor-Ebene ein. Aspekte wie der Miller-Effekt und der Stabilität mehrerer Verstärkerstufen wurden dabei anschaulich erläutert. Gerade weil Studierende des ECE-Studiengangs diese Inhalte im Rahmen ihrer Ausbildung behandeln, war es besonders spannend zu sehen, wie diese Konzepte in einer praktischen Anwendung zum Tragen kommen.