3D-beelden van de toekomst

Dr. Andreas Bablich aan het werk in de cleanroom. (Foto: Heiner Manderbach)

Ob in de automobielindustrie, de medische technologie, in veiligheidssystemen of in smartphones: 3D-camera's vinden steeds meer toepassing en gebruiksmogelijkheden. Een technologie die zich razendsnel ontwikkelt. Als toekomstgericht onderwerp met grote maatschappelijke relevantie is de benodigde sensoriek een centraal onderzoeksgebied van de leerstoel „Grafen-gebaseerde nanotechnologie“ en van de leerstoel „Hoge-frequentie technologie en kwantelektronica“ aan de Universiteit van Siegen.

Een methode die zich vanwege het gebruiksgemak steeds meer doorzet bij 3D-camerasystemen, is de Time-of-Flight (ToF) methode. Hierbij kunnen uit het tijdsverschil tussen een uitgezonden en door het object gereflecteerd lichtimpuls nauwkeurige afstanden worden bepaald en daarmee beelden met ruimtelijke diepte worden geproduceerd. Echter, de relatief complexe ToF-sensoriek vergt veel chipruimte, is daardoor duur en beperkt voor mogelijke toepassingen met een hoge mate van integratie. De mate van integratie verwijst hierbij naar het absolute aantal lichtgevoelige sensoren op een microchip.

Wetenschappers van de Universiteit van Siegen werken in het nieuwe onderzoeksproject „ULTRA-SENSE 3D“ aan innovatieve, hoogprecisie en krachtige 3D-camerasystemen gebaseerd op de Focus-Induced Photoresponse (FIP). „FIP is een vrij nieuwe technologie, waarvan de basis is gelegd door intensieve onderzoeksactiviteiten bij ons aan het ZESS, het Centrum voor Sensorsystemen van de Universiteit van Siegen“, legt Dr. Andreas Bablich uit, die samen met Prof. Dr. Peter Haring Bolívar het project leidt. Het onderzoek zal zich nu richten op het prestatietalent van 3D-geschikte FIP-sensoren op basis van amorf silicium. „Ik ben blij dat ik in zo'n project de nauwe en vruchtbare samenwerking van fundamenteel onderzoek en innovatiesignalen voor de industriële toepassing kan demonstreren“, constateert Prof. Dr. Peter Haring Bolívar. ULTRA-SENSE 3D wordt door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) met bijna drie kwart miljoen euro voor drie jaar gefinancierd. Voor Dr. Andreas Bablich is het succes van zijn eerste aanvraag een belangrijke mijlpaal in zijn wetenschapscarrière. De DFG ondersteunt met haar financiering uitdrukkelijk de jonge onderzoekers.

FIP-sensoren kunnen veel gevoeliger dan huidige concepten hoogprecisie diepten informatie over grote afstanden in slechts één beeldpunt identificeren. Want bij het FIP-effect wordt niet alleen de hoeveelheid invallend licht gemeten, maar ook de grootte van de lichtvlek, wat exacte metingen van afstanden in realtime mogelijk maakt, zelfs als het omgevingslicht niet bijzonder goed is. „Echter, de uitleessnelheden en gevoeligheden van huidige FIP-detectoren gebaseerd op organische of loodhoudende materialen zijn aanzienlijk beperkt“, legt Dr. Andreas Bablich verder uit. In het nieuwe benadering zijn in de Siegener werkgroep FIP-sensoren op basis van amorf silicium (a-Si:H) ontwikkeld, die momenteel ongeveer twee orden van grootte sneller, gevoeliger en regelbaarder zijn dan de stand van de techniek. Het actieve materiaal, amorf silicium, wordt dun en bij lage temperaturen op een chip aangebracht. Men spreekt in technische termen ook van het groeien van silicium op het oppervlak van de chip. Typische diktes van de lagen liggen tussen 10 nanometer en 1,5 micrometer, waarbij het laatste ongeveer een honderdste deel van de diameter van een menselijk haar is. „De sensorkoncepten ontwikkelen, optimaliseren en karakteriseren wij niet alleen aan de leerstoel, maar we maken de sensoren ook in de huidige cleanroom van de universiteit zelf. Verder zullen we de technologische implementatie van deze en andere boeiende onderzoeksthema's in het opkomende INCYTE-onderzoeksgebouw op de campus Adolf-Reichwein-Straße verder bevorderen en intensiveren.“

De wetenschappers van Siegen hebben naast de sensoriek ook een nieuw uitleeskoncept ontworpen, zodat de beeldsnelheden van geïntegreerde 3D-camera's aanzienlijk kunnen worden verhoogd en ruisinvloeden kunnen worden verminderd. Dr. Bablich: „Eerste afstandsmetingen zijn al succesvol uitgevoerd en de behaalde resoluties in de orde van ongeveer 500 micrometer tonen aanzienlijke potentieel om de FIP-detectiemethode aanzienlijk te verbeteren.“ Een mogelijke toekomstgerichte toepassingsgebied zien de onderzoekers bij de hooggevoelige 3D-scèneherkenning, bijvoorbeeld in de beveiligingstechniek of in industriële kwaliteitscontroles.