3D zobrazování budoucnosti

Dr. Andreas Bablich při práci v čistém prostoru. (Foto: Heiner Manderbach)

Ob v automobilovém průmyslu, zdravotnické technice, bezpečnostních systémech nebo v chytrých telefonech: 3D kamery nacházejí stále větší rozšíření a možnosti využití. Technologie, která se rychle vyvíjí. Jako perspektivní téma s vysokou společenskou relevancí je nezbytná senzorika centrálním výzkumným oborem katedry „Grafenově založené nanotechnologie“ a katedry „Vysokofrekvenční technika a kvantová elektronika“ na Universität Siegen.

Postup, který se díky své uživatelské přívětivosti stále více uplatňuje u 3D kamerových systémů, je metoda časové délky letu (Time-of-Flight, ToF). Při ní lze z časového rozdílu mezi vyslaným a odraženým světelným impulzem přesně určit vzdálenosti a tím pádem vytvářet obrazy s prostorovou hloubkou. Nicméně, relativně složitá ToF senzorika zabírá poměrně hodně čipové plochy, je drahá a je omezena pro možné oblasti použití s vysokou mírou integrace. Míra integrace označuje absolutní počet světelně citlivých senzorů na mikroprocesoru.

Vědci z Universität Siegen pracují na novém výzkumném projektu „ULTRA-SENSE 3D“ na vývoji inovativních, vysoce přesných a výkonných 3D kamerových systémů založených na Focus-Induced Photoresponse (FIP). „FIP je poměrně nová technologie, jejíž základ byl položen intenzivními výzkumnými aktivitami u nás v ZESS, Centru pro senzorové systémy Universität Siegen,“ vysvětluje Dr. Andreas Bablich, který společně s Prof. Dr. Peterem Haringem Bolívarem projekt vede. Výzkum se nyní zaměří na výkonové potenciály 3D schopných FIP senzorů na bázi amorfního křemíku. „Těší mě, že mohu v takovém projektu demonstrovat úzkou a plodnou spolupráci základního výzkumu a inovačních impulsů pro průmyslové uplatnění,“ konstatuje Prof. Dr. Peter Haring Bolívár. ULTRA-SENSE 3D je financován Německým výzkumným společenstvím (DFG) téměř třemi čtvrtěmi milionu eur na tři roky. Pro Dr. Andrease Babliče je úspěch jeho prvního projektu důležitým milníkem v jeho vědecké kariéře. DFG svým financováním výslovně podporuje mladé vědce.

FIP senzory dokážou mnohem citlivěji než současné koncepty identifikovat přesné hloubkové informace na velké vzdálenosti již v jednom bodě obrazu. Při efektu FIP se totiž měří nejen množství dopadajícího světla na senzor, ale i velikost světelného fleku, což umožňuje přesná měření vzdáleností v reálném čase, a to i za méně příznivých okolních světelných podmínek. „Nicméně, rychlosti čtení a citlivosti současných FIP detektorů založených na organických nebo olovnatých materiálech jsou výrazně omezené,“ vysvětluje Dr. Andreas Bablich dále. V novém přístupu byly proto ve skupině ve Siegeru vyvinuty FIP senzory na bázi amorfního křemíku (a-Si:H), které v současnosti vykazují přibližně dvojnásobně vyšší rychlost, citlivost a ovladatelnost efektu FIP ve srovnání se současnými technologiemi. Aktivní materiál, amorfní křemík, je tenký a nanáší se na čip při nízkých teplotách. V technickém kontextu se o tom také mluví jako o růstu křemíku na povrch čipu. Typické vrstvy mají tloušťku od 10 nanometrů do 1,5 mikrometru, přičemž poslední odpovídá asi jedné setině průměru lidského vlasu. „Senzorové koncepty vyvíjíme, optimalizujeme a charakterizujeme nejen na katedře, ale také je vyrábíme přímo v současném čistém prostoru univerzity. Dále budeme pokračovat v technologickém zavádění těchto a dalších zajímavých výzkumných témat v vznikající výzkumné budově INCYTE na kampusu Adolf-Reichwein-Straße a dále je rozvíjet a posilovat,“ dodává.

Siegerští vědci kromě senzoriky navrhli také nový koncept čtení, který by mohl výrazně zvýšit snímkovou frekvenci integrovaných 3D kamer a snížit šumové vlivy. Dr. Bablich říká: „První vzdálenostní měření již byla úspěšně provedena a dosažené rozlišení kolem 500 mikrometrů ukazuje významný potenciál pro výrazné zlepšení metody detekce FIP.“ Jedním z možných perspektivních oblastí použití je vysoce citlivé 3D rozpoznávání scén, například v bezpečnostní technice nebo v průmyslové kontrole kvality.