Intensitätsabhängige Fotoantwort

Abstände messen mit Focus-Induced Photoresponse

Die TrinamiX GmbH, eine BASF-Tochter aus Ludwigshafen, entdeckte bereits 2011 eine neue Methode, um Abstände zu messen: Focus-Induced Photoresponse (FIP, Fokus-abhängige Fotoantwort). Das Messprinzip unterscheidet sich grundlegend von etablierten Techniken und nutzt eine besondere Eigenschaft von Fotodetektoren: deren intensitätsabhängige Fotoantwort.

Wird Licht mit einer Linse gebündelt und auf einen Fotodetektor geworfen, hängt die Fotoantwort auch von der Sensorposition ab und erlaubt dadurch Rückschlüsse auf die Entfernung des Sensors zur Lichtquelle. (Bild: TrinamiX Gmbh)

In der Natur hat sich die Wahrnehmung von Tiefe über Jahrmillionen entwickelt und zwei Prinzipien haben sich durchgesetzt: Stereoskopisches Sehen – das Tiefensehen mit zwei Augen, das Menschen und viele Tiere nutzen – und Laufzeitmessung, wie z.B. die Ultraschalltechnik von Walen oder Fledermäusen. Beide Prinzipien wurden in moderne Technik umgesetzt: Stereokameras kommen beim Dreh von 3D-Filmen zum Einsatz und Laufzeitmessungen z.B. in Radarfallen an der Autobahn. Ergänzend wurden zahlreiche weitere bildbasierte Verfahren wie Shape-from-Motion entwickelt, die auf dem Vergleich mehrerer Aufnahmen basieren. Das Prinzip von FIP unterscheidet sich dagegen grundlegend von den genannten Techniken und nutzt eine besondere Eigenschaft von Fotodetektoren: deren intensitätsabhängige Fotoantwort. Trinamix Geschäftsführer Dr. Ingmar Bruder erklärt das Messprinzip: „Wird Licht mit einer Linse gebündelt und auf einen Fotodetektor geworfen, hängt dessen Fotoantwort nicht nur von der Menge des einfallenden Lichts, sondern auch von der Größe des Lichtflecks auf dem Detektor ab, d.h.wir können unterscheiden, ob dieselbe Lichtmenge fokussiert oder defokussiert auf den Sensor auftrifft. Wir nennen das den FIP-Effekt und nutzen ihn zur Messung von Entfernungen.“

UV bis IR

Der FIP-Effekt wurde zuerst an Farbstoffsolarzellen nachgewiesen, ist allerdings nicht auf diesen Sensortyp beschränkt. Projektleiter Dr. Christoph Lungenschmied erläutert: „Obwohl die zugrundeliegenden Mechanismen unterschiedlich sind, kann jeder Fotodetektortyp für den Einsatz als FIP-Sensor optimiert werden. FIP-Systeme können daher in Wellenlängenregionen messen, die mit klassischen Sensoren aus Silizium nicht zugänglich sind. Gerade Detektoren im Infrarot-Bereich bieten signifikante Vorteile in Bezug auf Augensicherheit, Nachtsicht und Sichtbarkeit bei Nebel oder durch Rauch.“ FIP-Detektoren sind immer Einzelpixel-Sensoren. Die Auflösung von FIP-Abstandsmess-systemen ist daher nicht durch die Pixelgröße limitiert. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu den strukturierten Sensoren für eine bildbasierte Abstandsmessung. Für FIP-Sensoren sind zudem keine hochentwickelten Fertigungstechniken wie z.B. Lithografieverfahren notwendig, die in der CMOS-Produktion zum Einsatz kommen. FIP-Sensoren sind einfacher aufgebaut als Detektoren die auf Laufzeitmessungen basieren, da sie keine einzelnen Photonen detektieren müssen und die Phase auch nicht mit der Laserquelle korreliert werden muss. Dies wiederum macht den Einsatz anderer Materialien als Silizium technisch und wirtschaftlich attraktiv.

Einsatzgebiete

FIP ist eine monokulare Technologie, d.h. dass im Gegensatz zu Stereosystemen keine zwei Optiken und keine mechanisch aufwendige, fixe Grundlinie erforderlich sind. Mit FIP kann die Position moduliert leuchtender Marker im Raum bestimmt werden (Tracking). Das Verfahren ist robust gegenüber Umgebungslicht und damit insbesondere für Anwendungen attraktiv, bei denen die Umgebungsbedingungen nicht kontrolliert werden können. Zudem ist es auch möglich die Entfernung zu projizierten Lichtpunkten zu ermitteln (Scanning). Die Positionen der projizierenden Lichtquellen (z.B. Laserpointer) und des Sensors sind unabhängig voneinander, so dass der Ursprung des Lichts keinen Einfluss auf die gemessene Entfernung hat. Es können mehrere Lichtpunkte gleichzeitig mit nur einem System verfolgt werden, wenn sich diese in ihrer Modulationsfrequenz unterscheiden.

Positionsbestimmung in ms

FIP bestimmt Abstandsinformationen aus der analogen Antwort eines Einzelpixel-Detektors. Da keine Bilder aufgenommen werden, entfällt das Auslesen und Verarbeiten, das bisherige Bildverarbeitungsmethoden zeitaufwändig macht. Im Gegensatz zu Stereosystemen muss auch kein Korrespondenzproblem gelöst werden. Dadurch ist FIP eine schnelle und vom Recheneinsatz schlanke Methode, die eine exakte Positionsbestimmung im Millisekundenbereich ermöglicht. Hohe Messgeschwindigkeiten sind unerlässlich, wenn die Position von bewegten Objekten kontinuierlich bestimmt werden soll, wie z.B. bei Motion Capture. Die neuartige Technik wurde bereits mehrere Jahre lang erforscht und eine Vielzahl von Patenten angemeldet, von denen bereits etliche erteilt wurden. Aus den Ideen wurden Prototypen für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt. Das Arbeitsprinzip von FIP wurde mittlerweile unter dem Markennamen XperYenZ(TM) auf verschiedene Anwendungen übertragen und in entsprechende Prototypen demonstriert.