Whitepaper LEDDAR: OPTISCHE TOFSENSORTECHNOLOGIE EIN NEUES KONZEPT DER ORTUNG UND ENTFERNUNGSMESSUNG Leddar®, die optische Sensortechnologie mit Laufzeitmessung (Time-of-Flight, TOF), deren Funktionsprinzip vom Nationalen Optischen Institut (INO) in Quebec City, Kanada, entdeckt wurde und von LeddarTech weiterentwickelt und vermarktet wird, steht für ein einzigartiges Konzept in der optische Sensortechnik. Da dieses Verfahren eine schnelle, hochauflösende Analog/Digital-Umwandlung mit einer innovativen Signalverarbeitung kombiniert, stellt sie der optischen TOF-Sensorik die Vorteile der zeitbasierten Signalauswertung zur Verfügung. Dieses Whitepaper gibt einen allgemeinen Überblick über Leddar als optischer TOFSensortechnologie und erläutert ihre Vorteile im Vergleich zu konkurrierenden Konzepten. Ebenfalls beschrieben werden die Designoptionen für Leddar-Anwendungen sowie die Vorteile, die diese Sensoren bieten. Whitepaper LEDDAR: OPTISCHE TOF-SENSORTECHNOLOGIE EIN NEUES KONZEPT DER ORTUNG UND ENTFERNUNGSMESSUNG Von Pierre Olivier, Vice-President, Engineering and Manufacturing, LeddarTech Inc. Ortung und Entfernungsmessung Bei der Fernüberwachung geht es darum, Informationen zu spezifischen Objekten in der Umgebung eines Sensors zu erfassen, ohne dieses Objekt selbst zu berühren. Für diese Technologie gibt es bereits zahlreiche Anwendungen, wie Fahrerassistenzsysteme, Roboterführung, Verkehrsleitung und Füllstandskontrolle. Zur Fernüberwachung stehen im Wesentlichen unterschiedlichen Einsatzbereichen zur Verfügung: drei technologische Optionen mit Die Präsenzerkennung nur zur Ermittlung der Anwesenheit (oder Abwesenheit) von Objekten in einem zu überwachenden Bereich, wie bei Sicherheitsanwendungen. Das ist die einfachste Form der Fernüberwachung. Die Geschwindigkeitsmessung zur exakten Ermittlung der Schnelligkeit eines Objektes, wie durch die Verkehrspolizei. Hier ist keine Bestimmung der Ortsposition erforderlich. Die Ortung und Entfernungsmessung zur präzisen und genauen Bestimmung der Position eines Objektes in Bezug zum Sensor. Dieses Whitepaper konzentriert sich auf die Technologien, die in der Lage sind, eine Ortung und Entfernungsmessung vorzunehmen, weil es sich hierbei um den komplexesten der drei Einsatzbereiche handelt. Da sich aus den Positionsdaten sowohl die Präsenz als auch die Geschwindigkeit ableiten lassen, können Technologien, die die Ortung und Entfernungsmessung ermöglichen, in allen Fernüberwachungsanwendungen universell zum Einsatz kommen. Obgleich passive Verfahren, wie die stereoskopische Triangulation von Bildern, es ebenfalls erlauben, Entfernungsdaten zu ermitteln, weisen diese Methoden für gewöhnlich jedoch erhebliche Leistungseinschränkungen auf. So ist die stereoskopische Triangulation auf sehr deutlich erkennbare Objektränder angewiesen, damit die Berechnungsalgorithmen korrekte Ergebnisse ausgeben können. Aus diesem Grund senden die am häufigsten zur Positionsbestimmung eingesetzten Technologien einen Impuls zum Objekt, erfassen und analysieren das Echosignal, um die Position eines oder mehrerer Objekte im Messfeld des Sensors zu ermitteln. Da in diesem Fall die Energie zweckgerichtet zum Messobjekt ausgesandt wird, werden diese Technologien als „aktiv“ bezeichnet. 2 Whitepaper Einige dieser aktiven Verfahren nutzen die geometrische Lage der Echosignale, um daraus die Positionsdaten des Objektes abzuleiten. Bei der strukturierten Beleuchtung beispielsweise werden Punktmuster auf ein Messobjekt projiziert und anschließend die geometrische Verteilung der Lichtpunkte auf dem Objekt mit Hilfe einer Kamera und einer abschließenden Bildanalyse ausgewertet. Andere Technologien stützen sich auf die Zeitcharakteristik der Echosignale zur Positionsbestimmung des Messobjekts. Diese Methoden werden häufig als TOF-Technologien bezeichnet, da sie die Laufzeit (englisch: (Time of Flight) der Signale messen. Trotz unterschiedlicher Implementierungen lassen sich Laufzeitmessungen mit Funkwellen (Radar), Schall-/Ultraschallwellen (Sonar) oder Lichtwellen (Lidar) ausführen. Abbildung 1: Überblick über Fernüberwachungstechnologien gibt einen Überblick über die verschiedenen, aktuell verfügbaren Fernüberwachungstechnologien. Der nächste Abschnitt geht genauer auf die lichtbasierte bzw. optische Laufzeitmessung ein. Abbildung 1: Überblick über Fernüberwachungstechnologien Optische Laufzeitmessung Bei der optischen Laufzeitmessung wird die Entfernung anhand der Umlaufzeit der Lichtsignale zwischen Sensor und Messobjekt berechnet. Da die Lichtgeschwindigkeit in Luft bei normalen Temperatur- und Druckschwankungen relativ stabil und auch weitaus größer ist als die Geschwindigkeit der Messobjekte, gehört die optische Laufzeitmessung zu den zuverlässigsten Verfahren für die exakte, berührungslose Entfernungsmessung. Vom Messverfahren her wird bei den optischen TOF-Sensoren zwischen der direkten Laufzeitmessung, TOF-Kameras und der Phasendifferenzmessung unterschieden. Leddar ist eine 3 Whitepaper neue und einzigartige Technologie zum Ausführen optischer Laufzeitmessungen. Der folgende Abschnitt erläutert das Funktionsprinzip der verschiedenen Messverfahren. Direkte Laufzeitmessung Bei der direkten Laufzeitmessung wird ein diskreter Impuls ausgesendet und mindestens ein Zeitmesser genutzt, um die Zeitdifferenz zwischen dem ausgesendeten Signal und dem Echo auf Grundlage der Schwellwerterkennung zu ermitteln. Diese Zeitdifferenz kann dann mit Hilfe der folgenden Gleichung direkt in eine Entfernung umgerechnet werden: C ist die Lichtgeschwindigkeit, die im Vakuum 299.792.458 m/s beträgt. Die Division durch 2 berücksichtigt den Umstand, dass das Lichtsignal den Weg vom Sensor zum Messobjekt und wieder zurück zum Sensor, also zwei Mal, zurücklegen muss. Sendesignal Impulsschwelle Empfangsecho AnstiegsflankenZeitmesser Abfallende Flanke Startreferenz Die Schwierigkeit bei der Realisierung der direkten Laufzeitmessung liegt in den zu messenden Zeitintervallen. Um eine Entfernung zentimetergenau auflösen zu können, müssen die Zeitmesser eine Genauigkeit von 67 ps gewährleisten. Umgesetzt in digitaler Logik wäre dafür eine Taktrate von 15 GHz erforderlich, was in der Praxis nicht realisierbar ist. Daher kommen für gewöhnlich verschiedene Zeit-Digital-Wandler (TDC) zum Einsatz. Typischerweise werden beide Pulsflanken genutzt, um die Genauigkeit unabhängig von der veränderlichen Echo-Amplitude zu gewährleisten. TOF-Kameras Während die direkte Laufzeitmessung das empfangene Signal unmittelbar auswertet, nutzen TOF-Kameras verschiedene Verfahren der Signalintegration, für gewöhnlich in Verbindung mit CCD- oder CMOS-Bildwandlern. 4 Whitepaper Sendesignal Empfangsecho Startreferenz Durch Messen der in aufeinander folgenden Integrationsintervallen empfangenen Energie ist es möglich, den Abstand zwischen Sensor und Messobjekt auf Grundlage des Verhältnisses dieser Energiemengen zueinander zu extrapolieren. Bei den TOF-Kameras besteht das Problem im begrenzten Dynamikbereich der CCD- und CMOSBildwandler. Somit kann starkes Umgebungslicht schnell zur Sättigung führen und das Messergebnis verfälschen. Da weder die ausgesendeten noch die empfangenen Signale jedoch vollkommen rechteckig sind und auch der Sensor keine perfekte Linearität aufweist, werden Kompensationsmechanismen benötigt, was letztendlich die Genauigkeit beeinträchtigt. Messung der Phasendifferenz Im Unterschied zu den beiden vorgenannten Methoden stützt sich die Phasendifferenzmessung auf eine modulierte Lichtquelle und analysiert die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und dem empfangenen Echo. Diese Phasendifferenz kann dann mit Hilfe der folgenden Gleichung in eine Entfernung umgerechnet werden: C ist die Lichtgeschwindigkeit, Modulationsfrequenz. die Phasendifferenz in Radianten und f die 5 Whitepaper Sendesignal Empfangsecho Phasendifferen z Für gewöhnlich werden die Phasendifferenz des empfangenen Echos im Verhältnis zum ausgesendeten Signal sowie die Laufzeitverzögerung anhand von Korrelationsmethoden ermittelt und auf dieser Grundlage die Entfernung zum Messobjekt bestimmt. Natürlich ist eine Phasendifferenz von größer als 2 π nicht mehr auflösbar, so dass 3 π oder 5 π beispielsweise als eine π-Radiant-Phasendifferenz angegeben werden. Aus diesem Grund kommt es in Abhängigkeit von der gewählten Modulationsfrequenz zu Artefakten, die bewirken, dass weit entfernte Objekte viel näher erscheinen, als sie es in Wirklichkeit sind. Optische Laufzeitmessung mit der Leddar-Technologie Die optische Leddar-Technologie basiert auf der direkten Laufzeitmessung. Anstatt jedoch die analogen Signale unmittelbar zu verarbeiten, wird das empfangene Echo über den gesamten Erfassungsbereich des Sensors hinweg digital abgetastet. Mit patentierten Methoden erweitert das Leddar-Verfahren dann iterativ die Abtastrate und die Auflösung des abgetasteten Signals. Abschließend wird das resultierende zeitdiskrete Signal analysiert und für jedes einzelne Objekt die Entfernung berechnet. 6 Whitepaper Im Unterschied zu den vorgenannten Methoden ist die Leddar-Signalverarbeitung zudem in der Lage, die Entfernung zu allen im Messfeld erkannten Objekten zu ermitteln. Sendesignal Empfangsecho Entfernung zu Objekt 1 zu Objekt 1 Startreferenz Entfernung zu Objekt 2 Wo bei den anderen Verfahren die Ortung und Entfernungsmessung vorwiegend über die Hardware erfolgen, greift die Verarbeitung der Lichtsignale bei Leddar auf komplexe SoftwareAlgorithmen zurück. Diese Eigenschaft ist der Schlüssel für die Flexibilität und das Leistungspotenzial dieser innovativen Technologie. Der Leddar-Sensor ist durch die Signalverarbeitung in der Lage, selbst bei einem sehr schwachen Echo die genaue Entfernung zum Objekt zu berechnen. Mit Hilfe verschiedener komplexer Filter kann diese Technologie die vorhandenen Objekte sogar bei Anwesenheit von Störsignalen, die beispielsweise durch Staub, Schnee oder Regentropfen verursacht werden, erkennen. Anders als die anderen Verfahren erlaubt die Leddar-Signalverarbeitung letztendlich auch, die Entfernung zu allen im Messfeld erkannten Objekten zu ermitteln. Zu den wichtigsten Vorteilen der Leddar-Technologie zählen daher ihre hohe Empfindlichkeit, die Störfestigkeit gegenüber Rauschen sowie ihre leistungsstarke Datenextraktion. Sensoren, die Leddar verwenden, sind in der Lage, diese Vorteile in einen messbaren Nutzen umzuwandeln, wie weiter unten erläutert wird. Das Herz der Leddar-Technologie ist eine Bibliothek mit Signalverarbeitungsfunktionen, die vier separate Verarbeitungsstufen umfasst (siehe Abbildung 2: Schematische Darstellung der LeddarSignalverarbeitung 7 Whitepaper ). Abbildung 2: Schematische Darstellung der Leddar-Signalverarbeitung Der Leddar-Sensor Leddar ist die Basistechnologie, die die Entwicklung und Produktion hocheffizienter Sensormodule ermöglicht. Die Sensoren, die die optische Leddar-Technologie mit Laufzeitmessung nutzen, bieten im Vergleich zu den Produkten von Mitbewerbern drei Hauptvorteile: ein hohes Reichweiten-/Leistungsverhältnis, Objekterkennung auch unter schlechten Sichtbedingungen sowie die Fähigkeit, mehrere Objekte aufzulösen. Bevor diese Vorteile genauer erläutert werden, hier ein kurzer Überblick über die Hauptkomponenten eines Leddar-Sensors. Der LeddarCore Aufgrund der Implementierung in Submicron-CMOS-Standardprozessen ist die LeddarTechnologie in Form eines Sensorkerns („LeddarCore“) implementierbar, der sich durch einen äußerst geringen Stromverbrauch auszeichnet und die Leistung jedes optischen TOF-Sensors maximiert. In Verbindung mit einem Fotodetektor, einer gepulsten Lichtquelle und einer Optik entsteht ein komplettes Sensorsystem, das sich mühelos und zu geringen Kosten in kleinste Komponenten integrieren lässt (Abbildung 3). 8 Whitepaper Abbildung 3: Die Hauptkomponenten des Leddar-Sensors Fotodetektor Der Fotodetektor ist die Komponente, die die Lichtpulse in elektrische Signale umwandelt, die vom LeddarCore ausgelesen werden. Daher stellt seine Funktion die Grundlage eines jeden Leddar-Sensors dar. Zum Einsatz kommen können verschiedene Detektortypen, darunter PINFotodioden und APD-Fotodioden. PIN–Fotodiode Die Leddar-Technologie ist zusammen mit preiswerten Silizium-PIN-Fotodioden nutzbar, die einen weiten Erfassungsbereich bieten und gegenüber Umgebungslicht unempfindlich sind. Der Hauptvorteil der PIN-Fotodioden besteht in den sehr kurzen Flankenanstiegs- und Abfallzeiten von typischerweise maximal 10 ns. Daher sind sie gut geeignet, um kurze Lichtpulse in der Größenordnung von 25 ns zu empfangen. Zudem weisen sie eine sehr große Linearität auf, so dass selbst bei stark einfallendem Licht sehr kleine Signale noch erkannt werden. Ein- oder zweidimensionale, aus mehreren Elementen bestehende Gruppen von Fotodioden können verwendet werden, um 2D- oder 3D-Sensoren aufzubauen, die schnelle, parallele Messungen erlauben und keine beweglichen Teile besitzen. Diese Sensoren bieten sich für 9 Whitepaper Anwendungen an, die schnelle und genaue Daten zur Präsenz, Position und/oder Geschwindigkeit benötigen. APD-Fotodioden Lawinenfotodioden (Avalanche Photodiodes, APD) werden ebenfalls unterstützt. Sie weisen im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften wie PIN-Fotodioden auf. Zudem bewirkt die hohe Sperrspannung von zumeist bis zu 300 V eine Stromverstärkung um den Faktor 100 und mehr, so dass auch sehr schwache Signale erkannt werden. Allerdings besteht einer ihrer größten Nachteile darin, dass diese Verstärkung stark von der Temperatur und der Vorspannung abhängig ist und dass die Vorspannung auch erhebliche Auswirkungen auf den Dunkelstrom hat. Daher muss die Vorspannung üblicherweise in Abhängigkeit von der Temperatur eingestellt werden. Andere Fotodetektoren Obwohl die Leddar-Technologie ursprünglich für den Einsatz mit PIN- oder APD-Fotodioden entwickelt wurde, sind auch andere Fotodetektoren mit ausreichender Bandbreite nutzbar. Die Lichtquelle Während Fotodetektoren die Echosignale erkennen, hat die Lichtquelle die Aufgabe, den benötigten Ausgangsimpuls zu senden. Aus diesem Grund ist sie eine gleichermaßen kritische Komponente des Leddar-Sensors. Die Leddar-Technologie kann in Verbindung mit Lichtquellen im sichtbaren und infraroten Spektrum verwendet werden. Jede Lichtquelle, die ausreichend schnelle Pulse erzeugt, einschließlich LEDs, Laserdioden und VCSEL, wird unterstützt. LEDs Für zahlreiche Leddar-Anwendungen bieten sich LEDs als ideale Lichtquelle an. Zudem hat die wachsende Verbreitung von LED-Leuchten die Entwicklung einer Vielzahl handelsüblicher Lichtformungselemente, wie Kollimatoren und Reflektoren, gefördert. Weiterhin sind LEDs preiswert, in verschiedenen Wellenlängen erhältlich, einfach auf Leiterplatten zu montieren und äußerst zuverlässig. Auch ist es ohne weiteres möglich, augensichere Lösungen mit LEDs zu entwerfen. Bei vielen Anwendungen kann die Leddar-Technologie LED-Quellen nutzen, die bereits zur Beleuchtung oder Signalisierung im Einsatz sind. Die schnellen Leddar-Messimpulse, die für gewöhnlich kürzer als 50 ns sind, können für das menschliche Auge unsichtbar gemacht werden. Die Leddar-Technologie ist nicht auf LEDs mit nur einer Wellenlänge beschränkt. Es ist auch möglich, weiße LEDs zu verwenden, was insbesondere für viele intelligente Beleuchtungsanwendungen sowie für Kraftfahrzeuge interessant ist. 10 Whitepaper Die kurzen Messimpulse und die sehr kurze, von der Leddar-Signalverarbeitung benötigte Einschaltdauer bedeutet zudem, dass in den meisten Fällen auf ein spezielles Wärmemanagement verzichtet werden kann. Laserdioden Gepulste Laserdioden sind gut für Schmalstrahl-Langstreckenanwendungen geeignet. Sie sind eine gute Wahl, wenn es darum geht, eine maximale Lichtintensität zur Verfügung zu stellen, und können mit einer kleinen Optik kollimiert werden. Ein Nachteil der gepulsten Laserdioden besteht in ihrer sehr kurzen zulässigen Einschaltdauer, was die Messrate einschränkt. Außerdem liegen die Kosten pro Watt Laserdiode wesentlich höher als bei LEDs. Für Hochleistungsanwendungen benötigen Laserdioden allerdings weitaus weniger Platz und eine wesentlich geringere Anzahl von optischen und elektronischen Komponenten, als dies bei entsprechenden LEDs der Fall wäre. Zu guter Letzt gelten für Laserprodukte wesentlich komplexere Vorschriften als für LEDs. Daher sind Zulassung und Vertrieb dieser Produkte auch erheblich kostenintensiver. VCSEL-Laser VCSEL-Laser sind Dioden, bei denen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Daher können sie zu viel niedrigeren Kosten als konventionelle Laserdioden, bei denen das Licht an den Flanken austritt, produziert werden. Auch sind sie zu Gruppen kombinierbar. Damit ist es möglich, mit ihnen eine mit den Laser-Kantenemittern vergleichbare Leistung zu erzielen, wobei sich die Kosten denen der LEDs annähern. Ansonsten treffen die obigen Anmerkungen zu den Laserdioden auch auf die VCSEL-Laserdioden zu. Die Optik Da es sich bei Leddar um eine optische Technologie handelt, ist das Messfeld des LeddarSensors durch entsprechende Optiken für Quelle und Empfänger mühelos an die konkreten Einsatzbedingungen anpassbar. So ist es möglich, mit einfachen asphärischen Linsen interessante Lösungen zu entwickeln, die von einem kollimierten Strahl bis zu einem 180-Grad-Messfeld reichen. Für spezielle Anforderungen sind auch komplexere Lösungen realisierbar. Beim Sensor eines Fahrerassistenzsystems ist es beispielsweise unter Umständen wünschenswert, wenn dieser in der Zone direkt vor dem Fahrzeug einen größeren Erfassungsbereich oder eine höhere Auflösung besitzt als zu den Seiten. Dieses Szenario lässt sich mit der Leddar-Technologie ohne Weiteres in die Praxis umsetzen. 11 Whitepaper Abbildung 4: Beispiel für einen breiten Strahl mit unterschiedlichen Erfassungszonen einer MehrelementePlattform Vorteile der Leddar-Technologie Der erste Vorteil der optischen Leddar-Technologie mit Laufzeitmessung besteht in ihrem hohen Reichweiten-/Leistungsverhältnis. Das bedeutet, dass Leddar-Sensoren im Vergleich zu anderen optischen TOF-Technologien bei vergleichbarer Lichtleistung eine größere Entfernung erfassen. Ja nach Zielanwendung lässt sich dieser Vorteil in vielfältiger Hinsicht ausnutzen. Im Vergleich zu einem Sensor mit anderer TOF-Technologie kann ein Leddar-Sensor: bei gleicher Lichtausgangsleistung eine größere Entfernung erfassen oder bei geringerer Lichtausgangsleistung eine ähnliche große Reichweite abdecken. Eine weitere Möglichkeit, das hohe Reichweiten-/Leistungsverhältnis der Leddar-Sensoren auszunutzen, besteht darin, anstatt des kollimierten Lichtstrahls eine diffuse Quelle zu verwenden. In diesem Fall erfasst jedes einzelne Detektorelement einen breiteren Bereich. Mit Hilfe einer einfachen Optik ist es dann möglich, die Sende- und Empfangsmuster an spezifische Anforderungen anzupassen. Der zweite Vorteil der Leddar-Technologie betrifft ihre Fähigkeit, Objekte auch unter schlechten Sichtbedingungen zu erkennen. Da jede Messung Hunderte oder sogar Tausende diskrete Lichtimpulse berücksichtigt, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Technologie in der Lage ist, auch unter störenden Umgebungsbedingungen, wie Regen, Schnee oder Staub, zuverlässige Messungen auszuführen. Das gilt insbesondere bei Verwendung einer diffusen Lichtquelle. Der dritte Vorteil der Leddar-Technologie schließlich ist ihre Fähigkeit, mit nur einem Detektorelement mehrere Objekte aufzulösen. Dieser Vorteil kommt wieder hauptsächlich bei einer diffusen Lichtquelle zum Tragen, da dort ein kleines Objekt das Messfeld nicht vollständig ausfüllt und gleichzeitig die Entfernung zu Hintergrundobjekten gemessen werden kann. Das 12 Whitepaper simultane Erkennen mehrerer Objekte kann bei vielen Anwendungen einen erheblichen Mehrwert und eine größere Vielseitigkeit zur Verfügung stellen. So erlaubt selbst ein aus nur einem Detektorelement bestehender Sensor ein hohes Maß an räumlicher Erkennung. Aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs bietet sich die Technologie zudem für mobile oder portable Anwendungen an. Die Leddar-Technologie ist für Sensoren mit nur einem Detektorelement bis zu Tausenden oder sogar Millionen dieser Elemente nutzbar. Fazit Nach zehn Jahren intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit hat die Leddar-Technologie einen hohen Reifegrad erreicht und wird bereits in kommerziellen Lösungen eingesetzt. Mit ihrem neuartigen und hocheffizienten Konzept der optischen Laufzeitmessung (TOF) hilft die Leddar-Technologie den Entwicklern und Integratoren, den wichtigsten Anforderungen gerecht zu werden, die an Sensoren in Großserien-Installationen gestellt werden: kompakte Abmessungen, geringe Kosten, niedriger Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit, Robustheit und Anpassbarkeit. Mit ihren einzigartigen Leistungsmerkmalen eröffnet die Leddar-Technologie eine Vielzahl neuer Möglichkeiten zur Ortung und Entfernungsmessung. Damit trägt sie in vielen unterschiedlichen Anwendungen für die Industrie, für Unternehmen und bei den Verbrauchern zu einer höheren Effizienz, Produktivität und Sicherheit bzw. einer höheren Lebensqualität bei. Mehr Informationen zur Leddar-Technologie und den IC-Leddar-Sensoren und Modulen erhalten Sie auf leddartech.com. WP101-v1.3 LeddarTech, 2740 Einstein Street, Quebec City, Quebec, G1P 4S4, Kanada © 2015 LeddarTech. Alle Rechte vorbehalten. 13