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Optische Sensorik profitiert von der VCSEL-Technologie

Die VCSEL-Technologie kommt in zahlreichen optischen Sensoren zum Einsatz und eignet sich für Beleuchtungsanwendungen in der Unterhaltungselektronik, der Industrie und der Automobilbranche.

Optische Sensoren mit VCSEL-Lasern ermöglichen fortschrittliche 3D-Erkennung

Viele optische Anwendungen in der Unterhaltungselektronik, Industrie und Automobilbranche basieren auf anspruchsvoller 3D-Sensorik. VCSEL-Lösungen eignen sich ideal als Lichtquelle in optischen Sensoren und ermöglichen auf diese Weise selbst komplexe 3D-Erkennung. Dabei kommen verschiedene optische Sensortechnologien zum Einsatz – beispielweise Time-of-Flight (ToF), strukturiertes Licht und selbstmischende Interferenz (SMI). Diese optischen Sensortechnologien stützen sich auf fortschrittliche Lichtquellen wie laserbasierte VCSEL-Arrays (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), um eine Szene oder ein Zielobjekt zu beleuchten. 

3D-Sensorik stellt hohe Ansprüche an VCSEL-Laser. Sie müssen umfangreiche Anforderungen erfüllen, wie Ultrakurzpulsbetrieb, kundenspezifische Beleuchtung (z. B. Punktmuster), homogene Abtastung, konfigurierbare Zufallslichtquellen-Arrays, schmales Spektrum zur Verringerung des Sonnenlichtrauschens, hohe Zuverlässigkeit, hohe Stückzahlen und geringe Kosten.

Welche Vorteile bieten VCSEL-Laser für die optische Sensorik?

Die hochmodernen VCSEL-basierten Sensorlösungen von TRUMPF bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien wie kantenemittierenden Lasern und Infrarot-LEDs:

Geringe Leistungsaufnahme

Die minimale Leistungsaufnahme von wenigen Milliwatt optimiert den Batterieverbrauch in mobilen Anwendungen.

Extrem schneller Pulsbetrieb

Kurze Anstiegs- und Abfallzeiten ermöglichen einen schnellen Pulsbetrieb, der für ToF-Anwendungen entscheidend ist.

Einfache Integration

Verschiedene Gehäuseoptionen von SMD- bis TO-Gehäusen garantieren eine einfache Produktintegration und zusätzliche Funktionen.

Erhöhte Funktionalität

Zusätzliche Funktionen in modernen VCSEL, wie integrierte Mikrooptiken oder Photodioden für die weitere Signalverarbeitung, unterstützen die Miniaturisierung und erhöhen die Sensorfunktionalität.

Maßgeschneiderte Lösungen

Mit jahrzehntelanger Technologieführerschaft setzt TRUMPF auf langfristige Kundenbeziehungen und Support sowohl für Standardprodukte als auch für kundenspezifische Lösungen.

Äußerst zuverlässig

Bereits in der Vergangenheit haben VCSEL bahnbrechende Verbesserungen hinsichtlich Funktionalität und Zuverlässigkeit gezeigt. Sie erreichen eine lange Produktlebensdauer in einem großen Temperaturbereich.

Wo wird optische Sensorik eingesetzt?

3D-Sensorik, optische Sensoren und Bildsensoren mit VCSEL-Lasern kommen in vielen Anwendungsfeldern zum Einsatz. Beispiele sind die biometrische 3D-Sicherheit der nächsten Generation, industrielle Mess- und Detektionsanwendungen oder autonomes Fahren und LiDAR.

Optische Sensorik für die Industrie

Industrielle Sensoranwendungen reichen von der Sauerstoffmessung bis hin zu industriellen optischen Encodern und Atomuhren. Weitere Beispiele sind die Geschwindigkeits-, Abstands- und Tiefenmessung sowie die Näherungsmessung. Die VCSEL-Technologie bietet sowohl zuverlässige als auch leistungsstarke Sensorlösungen für industrielle Anwendungen.

3D-Sensorik für Consumer

Hersteller von Unterhaltungselektronik sind wichtige Nutzer von 3D-Sensoranwendungen. Hier werden Sensoren und deren optische Fähigkeiten beispielsweise zur Erkennung und Abtastung von Gesichtern eingesetzt. VCSEL bieten leistungsstarke Beleuchtungsmöglichkeiten zur Unterstützung fortschrittlicher optischer Sensortechnologien.

3D-Sensorik für die Automobilbranche

Im Automobilsektor nimmt die Zahl neuer Anwendungen für die 3D-Sensorik der nächsten Generation stetig zu. Dazu zählen autonome Fahrzeuge mit Selbstfahrfähigkeiten, wie LiDAR, Fahrer- und Insassenüberwachung sowie Fahrerkontrollsysteme.

Wie funktioniert die optische Sensorik?

Bei der Erfassung von Objekten werden verschiedene optische Erkennungstechnologien wie Lichtlaufzeit, strukturiertes Licht und selbstmischende Interferenz mit 3D-Sensoren kombiniert, d. h. optischen Sensoren mit 3D-Funktionen. Diese Technologien beruhen auf einer fortschrittlichen Lichtquelle, um eine Zielszene oder ein Objekt zu beleuchten. VCSEL-Laser sind prädestiniert für diese Aufgabe und werden in wichtigen optische Anwendungen in der Photonik für das moderne Elektronikdesign eingesetzt.

Verschiedene optische Sensortechnologien

Time of Flight (ToF)

Direct ToF für die Abstandssensorik

Direct Time of Flight (dToF) basiert auf einem aktiven Beleuchtungssystem. Zunächst sendet eine VCSEL-Diode Laserlicht (Photonen) in Richtung eines Ziels aus. Das Licht wird vom Ziel teilweise reflektiert, und ein optischer Sensor (ToF-Sensor) bestimmt den Zeitpunkt, zu dem das Licht (Photonen) ankommt. Der dToF-Wert wird in eine Entfernung umgerechnet, indem die Photonenlaufzeit/2 x die Lichtgeschwindigkeit berechnet wird. Die Auflösung beträgt 1 mm.

Indirect ToF für die Tiefenmessung 

Bei Indirect Time of Flight (iToF) wird nicht die Zeitverzögerung eines einzelnen Lichtimpulses gemessen, sondern ein VCSEL-Laser sendet kontinuierlich moduliertes Licht aus, und die Phasenverschiebung zwischen diesem ausgesandten Licht und dem reflektierten Licht wird zur Entfernungsberechnung verwendet (indirekt, da sie nicht auf der Verzögerung, sondern auf der Phasenverschiebung zwischen ausgehenden und eingehenden Signalen basiert). Dies wird als Continuous Wave (CW) Modulation bezeichnet, auch bekannt als CW-Phasenverschiebung oder iToF.

Strukturiertes Licht

Ein Punktemuster wird auf eine Oberfläche projiziert. Das VCSEL-Laserlicht beleuchtet so eine Zielszene und ermöglicht es einem Sensor, die beobachtete Verzerrung zu erfassen und sie in Informationen über die dritte Dimension des beleuchteten Objekts umzuwandeln. Dadurch wird eine extrem hohe Genauigkeit erreicht, die für einen Sensor zur Unterstützung optischer Anwendungen wie der Gesichtserkennung erforderlich ist. 

Selbstmischende Interferenz (SMI)

Ein einzelner Lichtpunkt wird von einem VCSEL auf ein Objekt projiziert. Das Objekt streut das Licht zurück in den Laser und interferiert je nach Phase. Die Laserleistung wird durch die Rückkopplung des Objekts moduliert. Die modulierte Laserleistung wird von der integrierten Photodiode gemessen. Ein modulierter Laserstrom kann zur gleichzeitigen Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung verwendet werden.

Ein ViP oder VCSEL mit integrierter Photodiode ist ein Schlüsselinstrument für die SMI-Technologie.

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