DE112013001240T5 - Kompakte Laserquelle zur aktiven Beleuchtung für hybride dreidimensionaleBildgabevorrichtungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft allgemein hybride dreidimensionale Bildgabevorrichtungen und eine Laserquelle zur aktiven Beleuchtung für hybride dreidimensionale Bildgabevorrichtungen (d. h. 3D-Bildgabevorrichtungen, die kombinierten Gebrauch von verschiedenen 3D-Bildgabetechnologien machen). Die Erfindung ist auf dreidimensionale Bildgabesysteme anwendbar, die eine Kombination verschiedener Bildgabetechniken (Hybridtechnologien) verwenden, um eine höhere Präzision oder ein höheres Niveau an Zuverlässigkeit zu erreichen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine (kompakte) Laserquelle zur aktiven Beleuchtung für hybride dreidimensionale Bildgabevorrichtungen (d. h. 3D-Bildgabevorrichtungen, die kombinierten Gebrauch von verschiedenen 3D-Bildgabetechnologien machen). Die Erfindung ist auf dreidimensionale Bildgabesysteme anwendbar, die eine Kombination verschiedener Bildgabetechniken (Hybridtechnologien) verwenden, um eine höhere Präzision oder ein höheres Niveau an Zuverlässigkeit zu erreichen.
• Allgemeiner Stand der Technik
• Die dreidimensionalen (auch: 3D-)Bildgabetechnologien, Time-of-Flight-Kameras (3D-LMI), Strukturlicht-3D-Bildgabe- und Stereovisionssysteme haben allesamt bestimmte Schwächen und Nachteile sowie Vorteile in Abhängigkeit von den konkreten Bedingungen, die in der zu analysierenden Szene angetroffen werden. Beispiele sind Hintergrundbeleuchtungsbedingungen, das Vorhandensein oder Fehlen bestimmter Oberflächentexturmuster in Objekten, die Größe der Objekte oder die Geschwindigkeit von Objekte in der Szene. Durch Kombinieren dreidimensionaler Messtechniken, die sich in ihrer Leistung teilweise ergänzen, können eine höhere Präzision und ein höheres Zuverlässigkeitsniveau erreicht werden. Diesbezüglich kann auch eine Kombination mit zusätzlicher hochauflösender 2D-Bildgabe nützlich sein. Die verschiedenen 3D-Techniken erfordern jeweils ein hochspezialisiertes Beleuchtungssystem. Wenn jedes Beleuchtungssystem separat implementiert werden würde, so würde dies einen erheblichen Kostenfaktor in Hybridsystemen darstellen, da die Kosten für energiereiche Laser hoch sind. Außerdem ist es schwierig, mehrere separate Beleuchtungssysteme für die verschiedenen Arten der Bildgabe von Hybridsystemen elegant in einem kompakten instrument zu integrieren.
• Eine Liste der Literaturangaben findet sich am Ende der detaillierten Beschreibung.
• Allgemeine Beschreibung der Erfindung
• Die Erfindung löst neben den Kostenproblemen von hybriden dreidimensionalen Bildgabevorrichtungen noch weitere Probleme. Insbesondere erfordert die Time-of-Flight-Bildgabe eine schnelle Schaltgeschwindigkeit und hohe Modulationsfrequenzen. In der Regel können Schwierigkeiten in Verbindung mit den erforderlichen hohen Strömen in der Größenordnung von 50 A und mit der Induktanz von Anschlussdrähten, die die Schaltstromquelle mit der Halbleiterlaservorrichtung, zum Beispiel einem Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)-Array, verbinden, die erreichbaren Schaltgeschwindigkeiten erheblich begrenzen. Die Strukturlichtfelderzeugung unter Verwendung von Masken im Ausgangsstrahl der Laserquelle ist unnötig kompliziert, beinhaltet zusätzliche Fertigungsprozesse und ist ineffizient im Hinblick auf den Anteil des erzeugten Laserlichts, das effektiv zur Beleuchtung verwendet wird, da ein Teil des ausgesendeten Lichts an der Maske verloren geht.
• Die Schwächen der verschiedenen dreidimensionalen Bildgabetechniken sowie die Bedingungen, unter denen sie sich manifestieren, unterscheiden sich wenigstens teilweise von einem System zum anderen. Folglich wird eine größere Zuverlässigkeit und Präzision in den 3D-Daten der Szene erreicht, wenn hybride dreidimensionale Bildgabesysteme verwendet werden. Außerdem wird eine algorithmische Entscheidungsfindung anhand von Daten von mehreren dreidimensionalen Sensoren möglich.
• Wir schlagen eine Laserquelle vor, die in der Lage ist, die spezialisierte Beleuchtungsleistung zu erbringen, die von Time-of-Flight-Kameras, strukturlichtfeldgestützter 3D-Bildgabe und auch von Stereovisionsbildgabe verlangt wird. Die Lichtquelle basiert auf monolithisch integrierten VCSELs in einem Array. Durch eine separate elektrische Verbindung der einzelnen VCSELs ist ein unabhängiges Schalten der einzelnen Laserelemente oder Gruppen von einzelnen Lasereinheiten möglich. Zusätzlich können, um ein schnelles Schalten und Hochfrequenzmodulation von einzelnen VCSELs, Gruppen von ihnen oder der Anordnung von VCSELs als Ganzes zu ermöglichen, Transistoren zum Schalten jedes einzelnen VCSEL in den Laserarraychip oder auf einem separaten Treiberchip, mit dem der Laserchip mittels der Flip-Chip-Technik verbunden ist, integriert werden. Darüber hinaus schlagen wir ☐ als eine Option ☐ ein schaltbares Diffusorelement vor der Lichtquelle vor, das ein Umschalten zwischen einem Strukturlichtfeldbeleuchtungmodus und einer Beleuchtung mit einem gleichmäßigen, unstrukturierten Lichtfeld erlaubt.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnung beschrieben, in denen:
• 1 einen schematischen Aufbau einer möglichen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
• Das Kombinieren verschiedener Messtechniken, um dreidimensionale Daten zu erhalten, hat viele Vorteile. Allgemein können Verbesserungen bei der Präzision und der Qualität der 3D-Daten erwartet werden, wie es zum Beispiel für die Kombination von Strukturlicht- und Stereovisionstechniken gezeigt wurde [Yonchang 2007]. Verschiedene Messtechniken ergänzen außerdem einander, da die Bedingungen, unter denen eine Technik schlecht arbeitet, immer noch günstig für die gute Leistung eines anderen Systems sind. Das Kombinieren verschiedener Messtechniken verbessert außerdem die Zuverlässigkeit.
• Das Umschalten einzelner VCSELs unter Verwendung eines monolithisch integrierten Transistors in ein und demselben Halbleiterwafer wurde in den 1990-er Jahren erreicht und auch auf Arrays von VCSELs angewendet [Yang 1992, Hibbs-Brenner 1994, Wheeler 1997]. Alternativ können VCSEL-Arraychips auf CMOS-Chips, die die Schalttreiberelektronik enthalten, höckergebondet werden (Flip-Chip Verfahren). Hohe Modulationsfrequenzen und Schaltgeschwindigkeiten im 10 GHz-Bereich werden üblicherweise in optischen Telekommunikationsgeräten erreicht.
• Elektronisch schaltbare Diffusoren, die auch als intelligente Gläser oder intelligente Fenster bezeichnet werden, sind seit einiger Zeit bekannt und werden als schaltbare Glaspaneele in Gebäuden, Autodächern, Flugzeugen und Zügen wie dem deutschen ICE 3 verwendet, um von außen einfallendes Sonnenlicht zu dämpfen oder ein Hindurchsehen zu verhindern, um die Privatsphäre zu schützen. Es sind verschiedene Materialien und Techniken bekannt, die diesen Effekt erzeugen. Als ein Beispiel können polymerdispergierte Flüssigkristalle genannt werden.
• Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. Die Bezugszahlen bezeichnen:
• Bezugszeichenliste

1

einen VCSEL-Arraychip

2

einen Chip, der Treiberelektronik enthält

3

eine Bondhügel-Flip-Chip-Verbindung

4

eine Elektrode

5

einen einzelnen VCSEL

6

einen Laserstrahl von einem einzelnen VCSEL

7

einen schaltbaren Diffusor.

• Das Kernstück der Beleuchtungsquelle für hybride dreidimensionale Bildgabevorrichtungen bildet ein VCSEL-Arraychip. Die Anordnung der einzelnen VCSELs innerhalb des Arrays kann so ausgeführt werden, dass ein räumlich codiertes strukturiertes Lichtfeld entsteht, wenn das Strukturlichtverfahren benutzt wird. Verschiedene Techniken sind möglich, um das Schalten und die Modulation einzelner VCSELs, von Gruppen von VCSELs oder des gesamten Arrays zu erreichen. Wenn ein Transistor für jeden VCSEL in den Laserarraychip integriert wird, so ist eine Matrixadressierung des Arrays machbar. Eine unabhängige Verbindung jeder Lasereinheit ist ebenfalls möglich, wird aber für größere Arrays unpraktisch. Alternativ kann der Strommodulations- und Umschalt-Schaltkreis für jeden VCSEL in einen zweiten Chip zum Beispiel vom CMOS-Typ integriert werden. Der Umschalt-Schaltkreischip und der Laserchip werden mittels einer Flip-Chip-Technik verbunden.
• Ein schaltbarer Diffusor kann vor dem Laserchip montiert werden, um ein Umschalten zwischen einem Strukturlichtmodus, wobei der Diffusor vollständig transparent ist, und einem Betriebsmodus, der ein gleichmäßiges, flaches Beleuchtungsfeld erzeugt, wenn der Diffusor eingeschaltet ist, zu ermöglichen. Der schaltbare Diffusor kann zum Beispiel auf polymerdispergierten Flüssigkristallen basieren.
• Zusätzliche optische Elemente, die erforderlich sind, um ein Beleuchtungsfeld zu erhalten, das in Bezug auf Sichtfeld und Lichtverteilung gewünscht wird, sind in 1 nicht gezeigt.
• Dank der Erfindung können die Kosten von Beleuchtungssystemen für hybride dreidimensionale Bildgabeinstrumente deutlich gesenkt werden. Die vorgeschlagene Integration in ein einzelnes Beleuchtungssystem führt zu einfacheren und kompakteren technischen Realisierungen.
• Die Schaltgeschwindigkeit, die für die Time-of-Flight-Technik von maßgeblicher Bedeutung ist, kann sehr hoch werden, bis zu Werten im GHz-Bereich, indem die Stromumschaltungs-Schaltkreise, wie vorgeschlagen, direkt auf den Laserarraywafer integriert werden oder indem Flip-Chip-Technologie zum Verbinden des Laserchips direkt mit einem dedizierten CMOS-Chip, der die Stromumschaltungs-Schaltkreise umfasst, verwendet werden.
• Die Fähigkeit zum Schalten einzelner VCSELs innerhalb des Arrays oder von Gruppen von ihnen eröffnet neue Möglichkeiten beim Anwenden der Technik des strukturierten Lichts.
• Die erforderliche codierte Struktur in dem Lichtfeld kann erreicht werden, indem das VCSEL-Array direkt elektronisch codiert wird, wodurch sch eine große Freiheit ergibt, das Muster nach Wunsch zu verändern. Mehrdeutigkeitsprobleme können gelöst werden, indem ein zusätzliches Bild der Szene mit einer programmierten Änderung des codierten Beleuchtungsmusters aufgenommen wird, so dass die Mehrdeutigkeit beseitigt wird.
• Außerdem wird mit der Fähigkeit des Schaltens einzelner VCSELs oder von Gruppen von VCSELs eine größere Flexibilität erreicht, um die Beleuchtung an schlechte atmosphärische Bedingungen mit reduzierter Sichtweite, wie Nebel, Regen oder Staub, anzupassen. In Fall von Nebel zum Beispiel ist es vorteilhaft, das Sichtfeld der Beleuchtung in der horizontalen Richtung zu reduzieren, um den Betrag an diffus gestreutem Licht auf dem Detektor aus weniger wichtigen Sichtwinkeln zu reduzieren. Dies verbessert die Signalqualität und die Zuverlässigkeit der Detektion von Objekten in dem eingeschränkten Sichtwinkel. Für die Strukturlichtbildgabe kann alternativ oder zusätzlich das Muster der Beleuchtung an schlechte atmosphärische Bedingungen angepasst werden, indem die Dichte des Beleuchtungsmusters in dem gesamten Sichtfeld oder innerhalb von Regionen reduziert wird.
• Mit einem elektronisch schaltbaren Diffusor in der vorgeschlagenen Form wird es möglich, das Beleuchtungssystem zwischen einem Strukturlichtbetriebsmodus und einem Betriebsmodus, der ein gleichmäßiges, unstrukturiertes Lichtfeld erzeugt, umzuschalten, wie es für Time-of-Flight-Bildgabe, Stereovision bei Nacht oder andere Detektionstechniken, wie hochauflösende 2D-Bildgabe, bevorzugt ist.
• Literaturangaben
• – [Yongchang 2009] Yongchang Wang, Qi Hao, Abhishika Fatehpuria, Daniel L. Lau, and Laurence G. Hassebrook ”Data Acquisition and Quality Analysis of 3-Dimensional Fingerprints,” IEEE conference on Biometrics, Identity and Security, Tampa, Florida, Sept. 22–24, 2009.
• – [Yonchang 2007] Yongchang Wang, Kai Liu, Qi Hao, Daniel L. Lau, and Laurence G. Hassebrook ”Multicamera Phase Measuring Profilometry For Accurate Depth Measurement,” Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering, Orlando, Florida, Bd. 6555, Apr. 9–15, 2007.
• – [Yang 1992] Y. J. Yang, T. G. Dziura, T. Bardin, S. C. Wang, R. Fernandez, and Andrew S. H. Liao, ”Monolithic integration of a vertical cavity surface emitting laser and a metal semiconductor field effect transistor”, Appl. Phys. Lett. 62, 600 (1993)
• – [Hibbs-Brenner 1994] Hibbs-Brenner, M. K.; Kalweit, E. L.; Walterson, R. A.; Lehman, J. A.; Skogen, J.; Nohava, J.; Joslyn, P.; ”A Monolithic Integration Approach For VCSEL/GaAs FET Arrays”, Integrated Optoelectronics, 1994., Proceedings of IEE/LEOS Summer Topical Meetings 1_54–155.
• – [Wheeler 1997] C. Wheeler and Y.-H. Zhang, Planar Monolithic Integration of FET and VCSEL using a Thermal Oxide Current Blocking Layer, SPIE Photonics West, Proceedings of International Society for Optical Engineering (SPIE), Bd. 3003, Seite 75–84, 1997.
• – Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Design, Fabrication, Characterization, and Applications, Carl W. Wilmsen, Cambridge University Press 2002
• – R. King, R. Michalzik, C. Jung, M. Grabherr, F. Eberhard, R. Jsigmager, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, ”Oxide confined 2D VCSEL arrays for high-density inter/intea-chip interconnects,” Proc. SPIE, Bd. 3286, Seite 64–71, 1998.
• – C. L. Chua, R. L. Thornton, D. W. Treat, and R. M. Donaldson, ”Independently addressable VCSEL arrays on 3-pm pitch,” IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 10, Seite 917–919, 1998.
• – G. Giaretta, M. Y. Li., G. S. Li, W. Yuen, and C. J. Chang-Hasnain, ”A novel 4 8 single-mode independently addressable oxide-isolated VCSEL array,” IEEE Photon. Technol. Lett., Bd. 9, Seite 1196–1198, 1997.
• – US20080049799A1
• – US7496122132

Claims (8)

1. Hybrides dreidimensionales Bildgabeinstrument, das eine Kombination der dreidimensionalen Bildgabetechniken der Strukturlichtbildgabe und der Time-of-Flight-Bildgabe und eventuell der Stereovision oder eventuell einer hochauflösenden zweidimensionalen Bildgabe verwendet.
2. Lasergestützte Beleuchtungsquelle für hybride dreidimensionale Bildgabeinstrumente, die eine Kombination aus den dreidimensionalen Bildgabetechniken der Strukturlicht-Bildgabe, der Time-of-Flight-Bildgabe und/oder der Stereovision oder eine Kombination aus einer oder mehreren dreidimensionalen Bildgabetechniken mit hochauflösender zweidimensionaler Bildgabe verwenden.
3. Schaltbarer Diffusor zum Schalten zwischen einem Strukturlicht-Betriebsmodus und einem Betriebsmodus, der ein gleichmäßiges und unstrukturiertes Beleuchtungsfeld erzeugt.
4. Monolithisch integrierter Schaltkreis zur schnellen Stromumschaltung oder Modulation jedes einzelnen VCSEL, von Gruppen von VCSELs oder des VCSEL-Arrays als Ganzes für eine effizientere, flexiblere und präzisere Modulation des Lichtfeldes, die für die Time-of-Flight-Technik erforderlich ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Integration der erforderlichen Transistoren entweder direkt innerhalb des Laserarraychips oder innerhalb eines dedizierten zweiten Chips, mit dem der Laserarraychip unter Verwendung einer Flip-Chip-Technik verbunden ist, realisiert wird.
6. Erzeugung eines strukturierten Lichtfeldes für die Strukturlicht-Technik durch Codierung eines Musters, das die einzelnen VCSELs innerhalb des Arrays von VCSELs mit verschiedenen Intensitäten ansteuert, entweder unter Verwendung eines Bereichs von Ansteuerströmen oder Ein- und Ausschalten einzelner Laser.
7. Flexibles Schalten einzelner VCSELs oder von Gruppen von VCSELs, das zusätzliche Verfahren zum Beseitigen von Mehrdeutigkeiten beim Strukturlichtbetrieb ermöglicht (auch wenn das Muster nicht mittels der Ansteuerung der einzelnen Laser codiert wird.)
8. Schalten einzelner VCSELs oder von Gruppen von VCSELs, das eine Anpassung der Beleuchtung an atmosphärische Bedingungen erlaubt, indem der Raumwinkel der aktiven Beleuchtung auf einen wesentlich wichtigen Teil des Sichtfeld beschränkt wird, oder, im Fall der Strukturlicht-Technik, indem ein Beleuchtungsmuster von reduzierter Dichte ausgesendet wird.

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