title: Entwicklung, Verifikation und Validierung einer Time-of-Flight Beleuchtungsbaugruppe mit HF-modulierten, individuell aktivierbaren VCSEL-Arrays
Creators: name: Röthgen, Daniel
Publisher: name: Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
publisherIdentifier: https://ror.org/04m2anh63
publisherIdentifierScheme: ROR
Year: 2024
Subjects: classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
classificationCode: 2
subject: FOS: Engineering and technology
subject: FOS: Engineering and technology

description: Diese Arbeit stellt die Entwicklung eines modularen, leistungsstarken Laserbeleuchtungssystems für Time-of-Flight (ToF)-Kameras vor, das bestehende Beleuchtungslösungen ersetzen soll. Durch die Erhöhung der optischen Ausgangsleistung und die Verkürzung der Anstiegszeiten wird die Leistungsfähigkeit einer modernen ToF-Kamera signifikant verbessert. Im Vergleich zu einer Referenzbeleuchtung konnte die Gesamtleistung verfünffacht werden. Die notwendigen Schritte zur Erreichung einer optischen Spitzenleistung von 10 W je Lichtquelle bei Modulationsfrequenzen bis zu 100 MHz werden beschrieben, was zu einer 1,2-fach höheren Leistung pro Lichtquelle im Vergleich zur Referenz führt. Die neue Beleuchtung ermöglicht zudem den Einsatz höherer Modulationsfrequenzen. An einem diffusen, weißen Referenztarget getestet, sank das Entfernungsrauschen bei 3 Metern von über 35 mm bei der Referenzbeleuchtung auf unter 5 mm bei der neuen Beleuchtung.
Durch das elektronische Zuschalten von bis zu vier Lichtquellen wird eine optische Spitzenleistung von 40 W bei einer Wellenlänge von 940 nm und einer Modulationsfrequenz von 100 MHz erreicht. Das individuelle Zuschalten der Lichtquellen bietet zukünftig die Möglichkeit, durch kombinierte Distanzmessverfahren die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Entwicklung erfolgte in zwei Iterationen, wobei Voruntersuchungen Optimierungspunkte identifizierten. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde die Beleuchtungsplatine weiterentwickelt und der Einfluss auf das Phasenrauschen einer ToF-Kamera untersucht. Die erzielten Ergebnisse wurden mit den theoretischen Vorhersagen der Tiefenreproduzierbarkeit basierend auf dem Signal-Rausch-Verhältnis des empfangenen Signals verglichen. Die Ergebnisse bestätigten die theoretischen Vorhersagen und zeigten, in welchen Betriebssituationen das Tiefenrauschen vom Sensor- oder vom aktiven Schrotrauschen dominiert wird.
Ferner wurden Untersuchungen zur optischen Signalform der Lichtquellen und zum Einfluss unterschiedlicher Einschaltpunkte durchgeführt. Die geforderten optischen Anstiegs- und Abfallzeiten von 2 ns wurden unabhängig von der Modulationsfrequenz erreicht. Die optischen Signale der jeweiligen Lichtquellen überschritten die im Lastenheft geforderte maximale Asynchronität von 200 ps. Untersuchungen der elektrischen Signale zeigten, dass Verzögerungen durch den verwendeten Lasertreiber entstehen. Durch die unterschiedlichen Einschaltpunkte verringerte sich der Modulationskontrast auf 91%.
description: This paper presents the development of a modular, high-performance laser illumination system for Time-of-Flight (ToF) cameras, designed to replace existing illumination solutions. By increasing the optical output power and reducing rise times, the performance of a state-of-the-art ToF camera is significantly enhanced. Compared to a reference illumination system, the new design quintupled the total optical power. Necessary steps to achieve an optical peak power of 10 W per light source at modulation frequencies up to 100 MHz are outlined, resulting in a 1.2-fold increase in power per light source over the reference. The new illumination also supports higher modulation frequencies. When tested on a diffuse white target, distance noise at 3 meters was reduced from over 35 mm with the reference illumination to less than 5 mm with the new system.
The system allows the electronic selection of up to four light sources, achieving a peak optical power of 40 W at a wavelength of 940 nm and a modulation frequency of 100 MHz. This individual light source activation provides future options for combined distance measurement techniques to improve reliability. The development proceeded in two iterations, with preliminary studies identifying optimization points. Based on these insights, the illumination board was further developed and validated by examining its impact on the phase noise of a ToF camera. The results were compared with theoretical predictions of depth reproducibility from the signal-to-noise ratio of the received signal. The findings confirmed the theoretical predictions, highlighting scenarios where depth noise is dominated by either sensor noise or active shot noise.
Additionally, the optical signal shape of the light sources and the impact of different activation points were investigated. The required optical rise and fall times of 2 ns were consistently achieved regardless of modulation frequency. The optical signals of each light source exceeded the specified maximum asynchrony of 200 ps. Electrical signal investigations revealed delays caused by the laser driver, with different activation points reducing the modulation contrast to 91%.