Hochintegrierte Lidar-basierte Time-of-Flight-Sensoren für tragbare Geräte
Das Institut Electronic Engineering baut seine F&E-Kompetenz auch im Bereich LIDAR aus.
Die Forschungskooperation der ams AG mit dem dem Institut Electronic Engineering der FH JOANNEUM ermöglicht einen weiteren wichtigen Schritt in der Anwendbarkeit der Lidar-Technologie. Lidar steht für Light Detection and Ranging.
Im Rahmen des EFREtop-Projekts „Hochintegrierte Time-of-Flight-Sensoren für tragbare Geräte“ entwickelte die ams AG einen neuartigen Sensor für die Lichtlaufzeitmessung, der in Mobiltelefonen und Kameras zum Einsatz kommen wird. Dieser Sensor wurde dem Institut Electronic Engineering der FH JOANNEUM für weitere Forschung zur Verfügung gestellt. Ziel ist, die Sensorreichweite mittels externer, sehr leistungsstarker Laserdioden (VCSEL: Vertical-Cavitiy Surface-Emitting Laser) bis auf das Maximum zu erhöhen.
Das Forschungsteam des Instituts Electronic Engineering entwickelte Applikationsschaltungen mit sehr leistungsstarken Lasern, für die insbesondere der Aspekt der „Augensicherheit“ zu berücksichtigen ist. Diese Schaltungen dienen der Validierung der Sensor-Performance und zur Weiterentwicklung der Demonstratoren, die Anwenderinnen und Anwendern vorwiegend im Consumer-Umfeld als Referenz zur Verfügung gestellt werden. Die Demonstratoren sind so aufgebaut, dass eine Anwenderin oder ein Anwender mit relativ geringem Aufwand den Sensor in Betrieb nehmen und den kompletten Funktionsumfang evaluieren kann.
Anwendungsfeld
Mit den Lidar-Demonstrator-Platinen können somit die Laserdiode beziehungsweise der Lichtsender (VCSEL), die Empfängerfotodiode und die gesamte Auswertung durch den Time-of-Flight-Sensor von ams mit der entsprechenden analogen und digitalen Signalverarbeitung demonstriert werden. Die Demonstrator-Platine enthält den Sensor-Chip von ams, eine Schaltung zur Erzeugung von Impulsen im Nanosekundenbereich, die Ansteuerung des VCSEL mit dem Leistungsschalter (GaN-FET-Transistor) und dessen Gate-Treiberschaltung sowie der Stromversorgung.
Die Demonstratoren wurden so kompakt konstruiert, dass Userinnen und User von derartigen Sensor-Chips auf schnelle und einfache Weise ihre Applikationen testen können. Bei der Konstruktion wurde der optionale Einbau in ein handelsübliches Gehäuse berücksichtigt.
Erzielte Reichweite vs. Impulsdauer und Laser-Versorgungsspannung
Forschungskompetenzen
Die FH JOANNEUM hat sich bereits im JOANNEUM Power Electronics Center intensiv mit schnell schaltenden Gallium-Nitrid-Leistungshalbleitern (GaN) beschäftigt. Im Rahmen des „Time-of-Flight“-Projekts ergab sich die Gelegenheit, diese thematischen Forschungskompetenzen im Bereich Lidar-Technologie weiter auszubauen. Hier geht es im Besonderen darum, die Leistung der Laserimpulse so weit wie möglich zu erhöhen, um ausreichende Nutzsignale (ausreichender Signal-Rauschabstand) und damit Reichweite zu erzielen. Aus Sicherheitsgründen (Augensicherheit) müssen diese Lasersignale dementsprechend kurz sein (wenige Nanosekunden), was besonders hohe Anforderungen an die Aufbau- und Messtechnik stellt.
Am Demonstrator ist die realisierte Impulsdauer im Bereich von zwei Nanosekunden bis acht Nanosekunden einstellbar und erreicht damit die Grenze des technisch Machbaren. Für künftige Forschungs- und Entwicklungsprojekte ist die gewonnene Erfahrung im Bereich der schnell schaltenden Leistungskreise mittels GaN-Transistoren besonders wertvoll. FH JOANNEUM sieht im extrem schnellen Schalten von Wide-Bandgap-Transistoren einen wichtigen zukunftsträchtigen F&E-Schwerpunkt, bei dem LIDAR eines von mehreren Applikationsfeldern darstellt.
Das Projekt bringt uns sehr wertvolle Erfahrung im Bereich extrem schnell schaltender Leistungskreise mit Wide-Bandgap-Transistoren und ermöglicht uns, diesen zukunftsträchtigen F&E-Schwerpunkt weiter auszubauen.
