3D obrazowanie przyszłości

Dr. Andreas Bablich beim Arbeiten im Reinraum. (Foto: Heiner Manderbach)

Ob w przemyśle motoryzacyjnym, technologii medycznej, systemach bezpieczeństwa czy smartfonach: kamery 3D zyskują coraz większą popularność i możliwości zastosowania. To technologia, która rozwija się w szybkim tempie. Jako temat przyszłościowy o dużym znaczeniu społecznym, niezbędna sensoryka jest kluczowym obszarem badawczym Katedry „Nanotechnologia oparta na grafenie” oraz Katedry „Technika wysokiej częstotliwości i elektronika kwantowa” na Uniwersytecie Siegen.

Metoda, która coraz bardziej zyskuje na popularności w systemach kamer 3D ze względu na swoją przyjazność dla użytkownika, to metoda czasu lotu (Time-of-Flight, ToF). Pozwala ona na dokładne określenie odległości na podstawie różnicy czasowej między wysłanym a odbitym impulsu świetlnego, co umożliwia tworzenie obrazów z przestrzenną głębią. Jednakże, stosunkowo skomplikowana sensoryka ToF wymaga dużej powierzchni układów scalonych, jest kosztowna i ograniczona w zastosowaniach o wysokim stopniu integracji. Stopień integracji oznacza tutaj absolutną liczbę światłoczułych sensorów na mikroczipie.

Naukowcy z Uniwersytetu Siegen pracują nad nowatorskimi, wysokoprecyzyjnymi i wydajnymi systemami kamer 3D opartymi na zjawisku Focus-Induced Photoresponse (FIP) w ramach nowego projektu badawczego „ULTRA-SENSE 3D”. „FIP to dość nowa technologia, której fundament został położony dzięki intensywnym badaniom prowadzonym u nas w ZESS, Centrum Systemów Sensorowych Uniwersytetu Siegen” — wyjaśnia dr Andreas Bablich, który wraz z prof. dr. Peterem Haringiem Bolívarem kieruje projektem. Badania skupią się teraz na potencjale wydajności sensorów FIP opartych na amorficznym krzemie. „Cieszę się, że w takim projekcie mogę demonstrować bliską i owocną współpracę badań podstawowych z impulsami innowacyjnymi dla przemysłowej realizacji” — stwierdza prof. dr. Peter Haring Bolívar. ULTRA-SENSE 3D jest finansowany przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) kwotą blisko 750 tysięcy euro na trzy lata. Dla dr. Andreas Bablicha sukces jego pierwszego wniosku to ważny kamień milowy w karierze naukowej. DFG wyraźnie wspiera rozwój młodych naukowców.

Sensory FIP mogą identyfikować bardzo precyzyjne informacje o głębokości na dużych odległościach w jednym punkcie obrazu, znacznie bardziej czułe niż obecne koncepcje. W efekcie zjawiska FIP nie mierzy się tylko ilości padałego światła, ale także rozmiaru plamki świetlnej, co umożliwia dokładne pomiary odległości w czasie rzeczywistym, nawet przy słabym oświetleniu otoczenia. „Jednakże szybkości odczytu i czułości obecnych detektorów FIP opartych na materiałach organicznych lub ołowiowych są znacznie ograniczone” — wyjaśnia dr Andreas Bablich. W nowym podejściu w grupie badawczej z Siegen opracowano sensory FIP na bazie amorficznego krzemu (a-Si:H), które obecnie wykazują, w porównaniu do stanu techniki, około dwie rzędy wielkości szybsze, bardziej czułe i sterowalne efekty FIP. Aktywny materiał, amorficzny krzem, jest nanoszony cienką warstwą na chip w niskich temperaturach. W technicznym języku mówi się też o „wzroście” krzemu na powierzchni układu scalonego. Typowe grubości warstw mieszczą się w zakresie od 10 nanometrów do 1,5 mikrometra, przy czym ta ostatnia odpowiada około jednej setnej średnicy ludzkiego włosa. „Koncepcje sensorów rozwijamy, optymalizujemy i charakteryzujemy nie tylko na wydziale, ale także sami wytwarzamy sensory w obecnym pomieszczeniu czystym na uniwersytecie. Dodatkowo będziemy kontynuować i pogłębiać technologiczne wdrożenie tych i innych interesujących tematów badawczych w nowo powstającym budynku badawczym INCYTE na kampusie przy ulicy Adolf-Reichwein” — dodaje.

Naukowcy z Siegen opracowali oprócz sensoryki także nowatorski koncept odczytu, który mógłby znacznie zwiększyć szybkość obrazowania w zintegrowanych kamerach 3D i zredukować szumy. Dr Bablich: „Pierwsze pomiary odległości zostały już pomyślnie przeprowadzone, a uzyskane rozdzielczości na poziomie około 500 mikrometrów pokazują duży potencjał do znacznego ulepszenia metody wykrywania FIP”. Przyszłościowe zastosowania mogą obejmować na przykład wysokoczułą rozpoznawanie scen 3D w systemach bezpieczeństwa lub w przemysłowej kontroli jakości.