Nanosekunden-Laserpulse für ToF und mehr

In welchen Größenordnungen bewegen sich das direkte Time-of-Flight-Verfahren (ToF) bzw. Lichtlaufzeitmessungen mit Laserpulsen im Bereich von Nanosekunden? Das Messprinzip von ToF ist schnell erklärt: Es gibt einen Sender und einen Empfänger. Über die Lichtlauft lässt sich die Distanz zu einem ruhenden oder bewegten Objekt ermitteln, das den Lichtstrahl reflektiert. Nach der einfachen Formel s = Δt/2*c entspricht die Lichtlaufzeit von 1 ns (1×10-9 s) also einer gemessenen Distanz von rund 14,9 cm. Das heißt, das Licht legt insgesamt einen Weg von etwa 29,98 cm zurück. Ist ein Objekt beispielsweise 1 m entfernt benötigt das Licht 2 × 6,67 ns, also 13,34 ns. Bei der Messung mit Einzelpulsen (Pulslaufzeit) verhält sich die Lichtlaufzeit proportional zur doppelten Entfernung. Bei einem anderen ToF-Verfahren (Phasendifferenz) wird die Phasenverschiebung eines modulierten emittierten Signals gemessen.

Für direkte ToF-Messungen werden möglichst kurze Pulse benötigt, um die gewünschten Auflösungen erzielen zu können. Ebenso wichtig sind das Puls/Pausen-Verhältnis (Duty-Cylce) und die Frequenz. Wichtig ist beim Periodendauern im ns-Bereich, dass auch die verarbeitende Sensorik (ToF-Kamera) hohe Frequenzen im Bereich von 100 bis 200 MHz untersützt. Die integrierten Laserdiodentreiber iC-HN (bis 1,4 A) und iC-HN3 (bis 2,8 A) von iC-Haus erlauben eine Ansteuerung mit bis zu 2 ns kurzen Pulsen und Anstiegszeiten von typischerweise 500 ps. Mit einer zulässigen Versorgungsspannung der Laserdiode von bis zu 30 V ermöglicht der Treiber-IC dabei eine freie und flexible Verschaltung von sowohl verschiedenartigen als auch mehreren Laserquellen. Zusätzlich ermöglicht die kleine Bauform des DFN8-3×3-Gehäuses eine platzsparende Systemintegration. Auch die kurzen Signallaufzeiten spielen bei Anwendungen mit Pulsen im Nanosekundenbereich eine entscheidende Rolle, wenn es um hohe Auflösung und Präzision geht.

Die Lasertreiber von iC-Haus lassen sich für Applikationen im Nahbereich mit Entfernungen von rund 1 cm bis 10 m einsetzen. Dabei kann es sich etwa um Anwendungen zur biometrischen, lasergestützten Gesichtserkennung per Smartphone oder für Zutrittskontrollsysteme handeln, bei denen 2D-Bilder mit 3D-Tiefen-Informationen angereichert werden, um eine eindeutige und sichere Identifikation zu bewerkstelligen. Eine 2D-Abtastung kann nicht zwischen einer realen Person und einem Foto der Person unterscheiden. Auch in CCTV-Überwachungskameras lassen sich solche Lasertreiber einsetzen. Vor allem Nachtanwendungen brauchen hier hohe Infrarot-Pulsleistungen, um die Reichweite zu erhöhen.

Nachdem Augmented Reality (AR) im Consumer-Bereich bereits weit verbreitet ist, spielen solche Lösungen zunehmend in anderen Bereichen eine Rolle. So können AR-Brillen ausgestattet mit ToF-Systemen in der Medizin oder Industrie Bilder mit Tiefeninformationen anreichern und die Objekterkennung unterstützen. Mit der heutigen Infrarotlaser-Technologie lassen sich beispielsweise Blutgefäße bis zu einer Tiefe von rund 1 cm sichtbar machen. Gerade in der Kinder- und Jugendmedizin kann ein solcher „Venenfinder“ beim Legen eines intravenösen Zugangs bei den kleinsten Patienten eine große Hilfe darstellen.

Auch im Bereich Automotive gibt es zahlreiche Anwendungsfelder für ToF mit ultrakurzen Laserpulsen. Hierbei geht es einerseits um ToF-Systeme im Nahbereich bis 10 m, die das Risiko von Kollisionen vermindern. Andererseits kommen sie zur Überwachung des Verhaltens von Fahrzeuginsassen zum Einsatz. Fahrerassistenzsysteme können auf der Basis von 3D-Informationen für noch mehr Sicherheit im Verkehr sorgen, etwa indem sie frühzeitig einen drohenden Sekundenschlaf erkennen. Die hochpräzise ToF-Lidar-Entfernungsmessung spielt natürlich auch bei der Entwicklung von selbstfahrenden Fahrzeugen eine Rolle und kann die herkömmliche Lidar-Technologie, die für den Fernbereich eingesetzt wird, sinnvoll ergänzen.

Im industriellen Umfeld können ToF-Messungen schließlich genutzt werden, um beispielsweise in Echtzeit geometrische Merkmale von Objekten zu ermitteln. So können industrielle Systeme Objekte klassifizieren oder die Volumina ermitteln, wodurch sich beispielsweise Logistik- und Produktionsprozesse optimieren lassen.

Die Limits diskreter Laserdiodentreiber

Konventionell arbeitet man bei der Erzeugung von Laserpulsen mit diskreten Transistorschaltungen und lädt Kapazitäten auf. Die besondere Herausforderung liegt dabei darin, reproduzierbare, rechteckige Strompulse ohne Überschwingungen zu erhalten, um damit die Laserdiode zu versorgen. Entscheidend sind hierbei die sehr kurzen An- und Ausschaltzeiten. Bei diskreten Schaltungen lässt sich zwar der Strom einstellen, doch der Puls ist nicht flexibel veränderbar. Außerdem werden dabei für die Generierung solcher Nanosekundenpulse hohe Eingangsspannungen von > 80 V benötigt, um die relativ großen Leitungslängen und Induktivität der Schaltung zu kompensieren und die extrem kurzen An- und Ausschaltzeiten realisieren zu können. Ein weiterer Nachteil sind die benötigten Leiterplattengrößen für die Bestückung der diskreten Bauelemente, was kaum eine weitere Miniaturisierung zulässt. Zwischenfazit: Diskrete Laserdiodentreiberlösungen sind verhältnismäßig starr und der Puls lässt sich nicht flexible einstellen.

Integrierte Laserdiodentreiber sind nicht nur kompakter als diskrete Lösungen, sie benötigen auch weniger Peripherie und erlauben eine hohe Flexibilität bei der Pulsformung. Dadurch lässt sich mit einem Chip eine größere Bandbreite an Anwendungen abdecken und der Entwicklungsaufwand für miniaturisierte ToF-Systeme erheblich reduzieren.

• 5-V-Steuerspannung
• Bis zu 30-V-Spannungsversorgung für eine oder mehrere synchron in Kette geschaltete Laserdioden
• LVDS-Signal zur Pulsformung

Flexible Laserpulsformung

Über den Strom lässt sich mit integrierten Laserdiodentreibern die Pulsleistung (entspricht der Höhe) flexibel und nahezu linear skalieren (Bild 2, links), und zwar ohne dass sich die Pulsform dabei ändert. Das Beispiel in Bild 3 zeigt einen Puls von 20 ns mit verschiedenen Strompulsleistungen von 1 bis 5 A. Der benötigte Laserstrom lässt sich also genau definiert einstellen. Mit einer diskreten Lösung ist dies so nicht möglich. Bei der Entwicklung von ToF-Systemen ist dies besonders hilfreich, denn je größer das Sichtfeld der ToF-Kamera und je größer die Entfernung zum Objekt, desto größer muss auch die Intensität der Laserpulse sein. Auch hinsichtlich der Laserklasse und der Augensicherheit bieten integrierte Laserdiodentreiber wegen der flexiblen Skalierbarkeit der Laserleistung viele Vorteile.

Auf der anderen Seite lässt sich bei einer definierten Pulsleistung auch die Pulsbreite einstellen (Bild 2, rechts). Das Beispiel zeigt einen Strompuls von 3 A, der von einer Pulsdauer von 10 ns auf 2 ns herunterskaliert wurde, ohne dass dies Einfluss auf die Pulshöhe bzw. Pulsleistung hat. Besonders wichtig für die Entwicklung von ToF-Systemen: Die Einstellung der Pulsbreite hat dabei keine unerwünschten Seiteneffekte, die sensorseitig zu berücksichtigen wären. Auch dies macht die integrierten Lasertreiber recht universell einsetzbar im Vergleich zu diskreten Treiber-Schaltungen, die in der Regel auf spezielle Anwendungen zugeschnitten sind.

Mehr Funktionalität auf kleinstem Raum

Ob Kantenemitter oder Oberflächenemitter (VCSEL), ob Laserdioden mit oder ohne Optik, die Laserdiodentreiber von iC-Haus lassen sich mit einer sehr großen Bandbreite an Laserdioden nutzen. Entwickler können mit praktischen Test- und Evaluation-Kits ihre Applikation aufbauen (Bild 4). Treiber und Diode beanspruchen dabei typischerweise einen Bauraum in der Größenordnung eines Zentimeters. Der Treiber-Chip im 8-pin-DFN-Gehäuse misst gerade einmal 3 × 3 × 0,9 mm3.

Durch eine Chip-zu-Chip-Verbindung des Lasertreibers mit einem VCSEL lässt sich eine weitere Miniaturisierung erreichen, was geraden in kompakten Anwendungen gefragt ist. Seine Laserdiodentreiber bietet iC-Haus deshalb auch als Nacktchip (bare die) zu direkten Weiterverarbeitung und Aufbau auf verschiedene Trägersubstarte an (Bild 5).

Time-of-Flight-Sensoren stellen hohe Anforderung an die Lichtpulse der verschiedenen Laserquellen. Kleinste Pulsbreiten und klar definierte Pulsformen sind essenziell für eine präzise Lichtlaufzeit- bzw. Abstandsmessung. Als leistungsfähige Ultrakurzpuls-Lasertreiber bieten die Bausteine der neuen iC-HN/HN3-Serie von iC-Haus eine Lösung für vielfältige Anwendungen in den Sektoren Automotive, Industrie, Medizin, Security und Consumer Electronic. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber diskreten Treiberschaltungen liegt in der Skalierbarkeit und der flexiblen Pulsformung.