Imaging 3D del futuro

Il Dr. Andreas Bablich al lavoro nella camera bianca. (Foto: Heiner Manderbach)

Che si tratti dell'industria automobilistica, della tecnologia medica, dei sistemi di sicurezza o degli smartphone: le telecamere 3D stanno trovando sempre più diffusione e possibilità di utilizzo. Una tecnologia in rapido sviluppo. Come argomento orientato al futuro con grande rilevanza sociale, la sensoristica necessaria rappresenta un campo di ricerca centrale del Dipartimento di "Nanotecnologia a base di grafene" e del Dipartimento di "Tecnica ad alta frequenza ed elettronica quantistica" presso l'Università di Siegen.

Una tecnologia che si sta diffondendo sempre di più nei sistemi di telecamere 3D grazie alla sua facilità d'uso è il metodo di tempo di volo (Time-of-Flight, ToF). Con questo metodo, è possibile determinare distanze precise dalla differenza di tempo tra un impulso di luce emesso e quello riflesso dall'oggetto, producendo così immagini con profondità spaziale. Tuttavia, la sensoristica ToF, relativamente complessa, richiede molto spazio sul chip, risultando costosa e limitata per applicazioni con elevato grado di integrazione. Il grado di integrazione indica il numero assoluto di sensori sensibili alla luce su un microchip.

Scienziati dell'Università di Siegen lavorano nel nuovo progetto di ricerca "ULTRA-SENSE 3D" su sistemi di telecamere 3D innovativi, ad alta precisione e potenza, basati sulla risposta fotoindotta focalizzata (FIP). "FIP è una tecnologia abbastanza nuova, il cui fondamento è stato posto attraverso intense attività di ricerca presso il nostro ZESS, il Centro per i Sistemi di Sensori dell'Università di Siegen", spiega il Dr. Andreas Bablich, che guida il progetto insieme al Prof. Dr. Peter Haring Bolívar. La ricerca si concentrerà ora sulle potenzialità di prestazione dei sensori FIP 3D, basati su silicio amorfo. "Sono felice di poter dimostrare in un progetto del genere la stretta e feconda collaborazione tra ricerca di base e impulsi innovativi per l'implementazione industriale", afferma il Prof. Dr. Peter Haring Bolívar. ULTRA-SENSE 3D è finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) con circa tre quarti di milione di euro per tre anni. Per il Dr. Andreas Bablich, il successo della sua prima domanda di finanziamento rappresenta una tappa importante nella sua carriera di ricercatore. La DFG sostiene esplicitamente i giovani ricercatori con il suo finanziamento.

I sensori FIP possono identificare informazioni di profondità molto più precise e sensibili su grandi distanze in un singolo punto immagine rispetto ai concetti attuali. Infatti, con l'effetto FIP, non si misura solo la quantità di luce incidente dal sensore, ma anche la dimensione del fascio di luce, consentendo misurazioni esatte delle distanze in tempo reale, anche in condizioni di scarsa illuminazione ambientale. "Tuttavia, le velocità di lettura e le sensibilità dei rilevatori FIP attuali, basati su materiali organici o contenenti piombo, sono fortemente limitate", spiega il Dr. Andreas Bablich. Nel nuovo approccio, il gruppo di lavoro di Siegen ha sviluppato sensori FIP basati su silicio amorfo (a-Si:H), che attualmente mostrano un effetto FIP circa due ordini di grandezza più rapido, sensibile e controllabile rispetto allo stato dell'arte. Il materiale attivo, il silicio amorfo, viene depositato in modo sottile e a basse temperature su un chip. In ambito tecnico, si parla anche di crescita del silicio sulla superficie del chip. Gli spessori tipici dei strati variano da circa 10 nanometri a 1,5 micrometri, quest'ultimo corrispondente a circa un centesimo del diametro di un capello umano. "Sviluppiamo, ottimizziamo e caratterizziamo i concetti di sensori non solo nel dipartimento, ma produciamo anche i sensori nel nostro attuale ambiente di sala bianca dell'università. Inoltre, continueremo a promuovere e intensificare la realizzazione tecnologica di questo e di altri affascinanti temi di ricerca nel nuovo edificio di ricerca INCYTE, situato nel campus di Adolf-Reichwein-Straße."

I ricercatori di Siegen hanno anche ideato un nuovo concetto di lettura, che potrebbe aumentare significativamente le frequenze di immagine delle telecamere 3D integrate e ridurre le influenze del rumore. Il Dr. Bablich afferma: "Le prime misurazioni di distanza sono già state eseguite con successo e le risoluzioni ottenute, nell'ordine di circa 500 micrometri, mostrano potenziali significativi per migliorare notevolmente la tecnologia di rilevamento FIP." Un possibile campo di applicazione orientato al futuro i ricercatori vedono nella rilevazione di scene 3D ad alta sensibilità, ad esempio in tecnologia di sicurezza o nel controllo qualità industriale.