Tridimenzionalno snemanje okolja postaja vse bolj pomembno v vse več scenarijih uporabe, od pametnih telefonov in avtomobilov do industrije. Ena od možnih metod je metoda z merjenjem časa preleta (angl. Time-of-Flight – ToF) pri laserskih »radarskih« sistemih LiDAR.
Rutronik GmbH
Avtor: Alain Bruno Kamwa
2022-306-22
Metoda ToF omogoča prepoznavanje položaja, oblike in premikanja ljudi ter predmetov. Osnovno načelo je preprosto: Svetlobni vir oddaja svetlobno valovanje, ki se odbija od okolja. Ustrezna kamera ToF zajame odbito svetlobo in izračuna razdaljo iz znane svetlobne hitrosti ter izmerjenega časa preleta svetlobe.
Pri tem ločimo dva glavna pristopa: Pri posredni metodi ToF (iToF) je svetlobni vir moduliran in zaznavamo fazni zamik odbite svetlobe. Ker je ta metoda relativno neobčutljiva na lezenje notranjega merjenja časa, je primerna predvsem za krajše razdalje.
Pri neposredni metodi ToF (dToF) tipalo meri čas neposredno, kot je opisano zgoraj. Ena od metod dToF je LiDAR. To je, enako kot radar, postopek za zaznavanje in merjenje razdalje (angl. Detection and Ranging – DAR), le da namesto radijskih valov uporablja svetlobo. Impulzna laserska dioda v tipalih LiDAR odda svetlobni impulz, ki se uporablja za določanje razdalje med tipalom in oviro. Podlaga za to je zelo natančna časovna baza. Minimalne razlike imajo na kratkih razdaljah velik vpliv, zato je tehnologija LiDAR najprimernejša za srednje in velike razdalje nad 100 m.
Metoda LiDAR za večje vidno polje in višjo ločljivost
V tipalih LiDAR se kot vir svetlobe uporablja laserska dioda. Ker oddaja zelo majhen in fokusiran svetlobni žarek, lahko meri le razdaljo do enako majhnih točk. Za 3D-zajem, na primer za prepoznavanje obrazov, sisteme za pomoč vozniku ali celo avtonomno vožnjo, to ni dovolj. Obstajajo različni pristopi za povečanje t. i. vidnega polja (angl. Field of View – FoV).
Pri bliskovni tehnologiji LiDAR se svetlobni žarek razprši z optiko, kar poveča kot sevanja. To žal pomeni razpršeno in bistveno šibkejšo svetlobo. To pomanjkljivost odpravlja rastrska tehnologija LiDAR. Tukaj se svetlobni žarek s premikajočimi se mikrozrcali odklanja po celotnem vidnem polju, ki ga tako pregledamo rastrsko. Rastrska tipala LiDAR pa so neprimerna za uporabo v vozilih: Z merami približno 10,5 x 6 x 10 cm so zelo velika, poleg tega so premikajoča se zrcala občutljiva na tresljaje, udarce, prah in ekstremne temperature, ki se jim pri vozilih ni mogoče izogniti.
Manjša in trpežnejša so polprevodniška tipala LiDAR. Za usmerjanje svetlobnega žarka se namesto na mehanske dele zanašajo na polprevodnike. Pri tipalih LiDAR z zrcali MEMS uporabljamo matriko mikrozrcal, ki se zaradi elektrostatičnih polj več tisočkrat na sekundo preklapljajo naprej in nazaj med dvema položajema.
Vir svetlobe IRED, EEL ali VCSEL
Svetlobni vir sam tvorijo bodisi infrardeče LED-diode (IRED), laserji z oddajanjem na robu (angl. Edge-Emitting Lasers, EEL) ali laserji s površinskim oddajanjem (angl. Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL) (slika 2).
Tehnologiji IRED in EEL sta se uveljavili za številne načine uporabe. Glavni prednosti tehnologije IRED sta homogena svetloba in visoka gostota moči. Poleg tega je relativno poceni in omogoča preprosta ohišja. Tehnologija EEL prepriča z večjo svetilnostjo, veliko močjo in izkoristkom – kar pomeni večji doseg.
Kombinacija preprostega ohišja tehnologije IRED in spektralne širine ter hitrosti tehnologije EEL je tehnologija VCSEL. Njena gostota moči je trenutno med tehnologijama IRED in EEL. Naprave VCSEL zahtevajo nekoliko več prostora kot EEL, vendar pa imajo prednosti pri nekaterih načinih uporabe. Zaradi svojih sevalnih lastnosti so primerne za bliskovne sisteme LiDAR in imajo dobro stabilnost valovne dolžine pri naraščajočih temperaturah.
Resonator VCSEL, v katerem se tvori laserski žarek, je sestavljen iz dveh Braggovih zrcal, razporejenih vzporedno z ravnino rezine. Sami zrcali sta sestavljeni iz več plasti, tako da dosegata več kot 99-odstotno odbojnost in (zaradi planarne tehnologije zrcal) odlično kakovost krožnega snopa, nizko divergenco ter nizek pragovni tok. Posledično ni potrebna niti sekundarna niti zunanja optika, kot pri običajnih robnih oddajnikih. Ta zasnova poleg tega pomeni, da so naprave VCSEL neobčutljive na mehanske vplive. Kljub temu omogočajo dobro ostrenje in preprosto sklopitev z optičnim vlaknom ter nizko porabo energije.
Za aplikacije dToF, ki zahtevajo visoko gostoto moči za merjenje razdalj nad 200 m, so običajno najboljša izbira laserji EEL. Podjetje ams Osram ponuja široko paleto z različnimi izvedbami ohišja (TO, umetne mase, SMD) in močmi. Ti laserji EEL zagotavljajo največje povprečne moči na trgu in omogočajo preprosto uporabo v sistemih za avtomatizirano nameščanje komponent (angl. Pick&Place) ter spajkanje s pretaljevanjem (angl. reflow, SMD).
Za 3D-zajemanje na krajše razdalje je podjetje ams Osram razvilo serijo infrardečih laserskih enot Bidos. Serija vključuje komponente VCSEL z močmi do 100 W in valovnimi dolžinami 850 ali 940 nm.
Močnostno polje VCSEL za 940 nm zagotavlja optično izhodno moč 3 W s tipičnim časom naraščanja in padanja 0,5 ns. Vgrajena nadzorna fotodioda omogoča umerjanje optične izhodne moči, samodejno uravnavanje moči in prepoznavanje možnih varnostnih težav z laserjem, na primer izpad leče ali stik s kožo, ki se jim je treba pri laserskih sistemih vedno izogibati.
Zmogljivi laserji za avtonomno vožnjo
Pri avtonomnih vozilih je varnost na prvem mestu. Za to so potrebni sistemi LiDAR z velikim dosegom in hitrim delovanjem – in zato zelo močni laserji. Z dvema novima sistemoma EEL zdaj podjetje ams Osram omogoča višjo ločljivost za 3D-sisteme in s tem boljše izmerjene signale, ki so ključnega pomena za avtonomna vozila. Dva nova laserja SPL S4L90A_3 A01 in SPL S1L90A_3 A01 imata izhodno moč 125 W pri 40 A na kanal. Z majhno toplotno upornostjo le 30 K/W za enokanalno različico (SPL S1L90A_3) ali 17 K/W za štirikanalno različico (SPL S4L90A_3) omogočajo preprosto obvladovanje toplote tudi pri visokih tokovih. Štirikanalna različica (SPL S4L90A_3) ima integrirano vezje s štirimi oddajnimi območji, kar zagotavlja odlično optično moč kar 480 W. Z velikostjo samo 3,35 mm x 2,45 mm x 0,65 mm je komponenta sicer komaj kaj večja od enokanalne različice (2,0 mm x 2,3 mm x 0,65 mm), vseeno pa pokriva široko območje zaznavanja. Podjetje ams Osram je v sodelovanju s podjetjema Efficient Power Conversion (EPC) in GaN Systems razvilo preizkusni komplet za obe različici laserja.
Načini uporabe ToF
Na podlagi infrardečih tehnologij VCSEL iz podjetja ams Osram in patentiranih algoritmov za globinsko obdelavo Chronoptics sta podjetji razvili sistem kamere 3D ToF, ki po zmogljivosti prekaša najsodobnejše kamere iToF. Sistem kamere 3D ToF Chronoptics KEA je idealen za avtonomno vožnjo, biometrične identifikacijske sisteme in odklepanje mobilnih naprav.
Z majhnimi merami le 100 x 40 x 35 mm je kamera zasnovana za delovno razdaljo od 0,2 do 15 m in je neobčutljiva na svetlobo iz okolja do 120.000 lx. Opremljena je z laserjem VCSEL Bidos P2433Q iz podjetja ams Osram. Ima kompaktno zasnovo, vodilno izhodno moč na trgu in izkoristek enote do 38 %; prihodnje enote naj bi dosegale tudi do 50 %. Koncept ohišja je primeren za velikoserijsko proizvodnjo.
Podjetje Vishay ponuja bližinsko tipalo z visokozmogljivim laserjem VCSEL: VCNL36687S z območjem zaznavanja do 20 cm ima vgrajeno še fotodiodo, integrirano vezje za obdelavo signalov in 12-bitni A/D-pretvornik v ohišju SMD LLP (angl. LeadLess Package) z merami 3,05 x 2 x 1 mm.
Zaradi relativno majhnega dosega niso potrebne mehanske pregrade za optično ločitev detektorja in oddajnika. Funkcijo bližinskega tipala je zato mogoče izvesti in uporabljati bolj preprosto. Zaradi zelo usmerjenega snopa laserja VCSEL, ki je širok le ±3°, je tipalo primerno za ozko območje zaznavanja in ne potrebuje leč. Komponenta VCNL36687S je namenjena za industrijske in potrošniške načine uporabe za pametne telefone, tablične računalnike, naglavne naprave za navidezno/obogateno resničnost (VR/AR) ter druge baterijsko napajane naprave, npr. za preprečevanje tveganja neželenega upravljanja ali zaznavanje, ali uporabnik nosi naglavno napravo VR/AR.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
