Technologie für das 21. Jahrhundert des Aufzugs

Die Wissenschaft hinter einem Produkt, das den vollständigen Türbereichsschutz für Passagiere, Fracht und die Tür selbst anpreist

Dieses Papier wurde präsentiert bei  Madrid 2016, International Congress on Vertical Transportation Technologies, und erstmals im IAEE-Buch veröffentlicht Aufzugstechnik 21, herausgegeben von A. Lustig. Es handelt sich um einen Nachdruck mit Genehmigung der International Association of Elevator Engineers   (Webseite: www.elevcon.com).

Die jahrzehntealten Lichtvorhänge zur Absicherung von Aufzugstüren stehen dank neuer Time-of-Flight (TOF)-Technologie kurz vor der Ausmusterung. So wird der Übergang von 2D zu 3D durch den optischen berührungslosen Full-3D-Sensor TOFgard ermöglicht. Dieser kleine (40-mal kleiner als Lichtvorhänge), EN 81-20 konforme Sensor bietet die Absicherungsfunktion sowohl über die Kabinen- als auch Schachttürschließkanten und einen echten vollständigen Türbereichsschutz für Passagiere, Fracht und die Tür selbst. Es reduziert Unfälle und erhöht gleichzeitig die Funktionalität durch die intelligente Überwachung des gesamten 3D-Bereichs. Die 3D-Technologie kann auch Personen zählen, was in Verbindung mit der Zielrufsteuerung sehr nützlich ist.

1886 entdeckte Heinrich Hertz, dass elektromagnetische Wellen von metallischen Objekten reflektiert werden. Es dauerte jedoch fast 20 Jahre (bis 1904), bis der deutsche Ingenieur Christian Hülsmeyer das erste funktionsfähige Radarsystem vorstellte. Er konnte große Objekte (wie Schiffe) bis zu einer Entfernung von 3 km erkennen. Hülsmeyer verwendete elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 50 cm, die eine Trägerfrequenz von ca. 300 MHz haben. Seitdem wurde das Radarprinzip entwickelt, um Entfernung, Geschwindigkeit und grob gesagt die Größe von Objekten zu messen. Aufgrund der relativ langen Wellenlänge ist die räumliche Auflösung jedoch sehr schlecht.

Daher wurde intensiv geforscht, um die Wellenlänge zu reduzieren und damit die räumliche Auflösung zu erhöhen. Die Stromgrenze ist eine Trägerfrequenz im Bereich von 100 GHz, die einer Wellenlänge von ca. 1.5 mm entspricht. Allerdings ist die räumliche Auflösung immer noch sehr schlecht, da sich elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge größer als einige Mikrometer ausbreiten, die nur mit sehr großen Antennen geleitet werden können. Daher wurde die Forschung für Radarsysteme mit Wellenlängen im Mikrometerbereich oder weniger fortgesetzt. Elektromagnetische Wellen in diesem Wellenlängenbereich werden allgemein als „Licht“ bezeichnet. So änderte die wissenschaftliche Gesellschaft den Namen von „Radar“ in „Lidar“ („Lichterkennung und Entfernungsmessung“). Die Lichtausbreitung im Raum lässt sich leicht durch Linsen und Spiegel steuern, die als Antennen für solche elektromagnetischen Wellen dienen. Lidar entstand in den 1960er Jahren und wird zur Messung von Aerosolen (zB für Wettervorhersagen) verwendet. Typischerweise sind Lidar-Systeme große Installationen und benötigen Scanner, um Bilder zu erzeugen, da Lidar nur die Entfernung an einer Stelle misst.

Als Ihr Autor 1985 mit der Forschung auf dem Gebiet der 3D-Bildgebung begann, existierte der Begriff „TOF“ noch nicht, und Bildgebung war nicht einmal ein Thema. Seine Faszination bestand jedoch darin, etwas zu entwickeln, das zu einer 3D-Kamera werden könnte, bei der jedes Pixel die Möglichkeit hat, die Entfernung zu seinem einzelnen Objektpunkt zu messen. Auch damals war bei Lidar-Konzepten eine Entfernungsauflösung im Bereich von 1 m in Ordnung. Das Ziel war jedoch eine Zentimeterauflösung, die eine ultraschnelle Elektronik erfordert, um die Ausbreitung des Lichts im Weltraum zu messen, die etwa 300,000 kps beträgt.

1987 baute Ihr Autor seinen ersten Prototypen eines Laserscanners, der als automatischer Türöffnungs- und Sicherheitssensor verwendet werden sollte. Es basierte auf gepulstem Licht, das von einer schnellen und leistungsstarken Laserdiode emittiert wurde. Das Licht tastete die Szenerie ab, abgelenkt von einem rotierenden Spiegel. Reflektiertes Licht wurde von einer schnellen Fotodiode empfangen und mit einem Verstärker mit Gigahertz-Bipolartransistoren verstärkt. Die Zeit wurde von einem analogen Integrator gemessen, der mit dem Zünden der Laserdiode gestartet und mit dem reflektierten Lichtimpuls am Ausgang des Verstärkers gestoppt wurde. Das Ergebnis war ein Scanner, der 10,000 Distanzen pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 2 ns misst. Eine solche Genauigkeit bedeutet eine 30-cm-Genauigkeit im System, die damals ziemlich beeindruckend war.

Vorgesehene Anwendungen waren jedoch Sensoren, die automatische Türen öffnen und Menschen und Güter zwischen sich schließenden Türflügeln von automatischen Türen absichern. Solche Anwendungen erfordern eine Entfernungsauflösung im 1-cm-Bereich. Aufgrund der sehr hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Weltraum werden ultraschnelle photoelektronische Geräte und elektronische Schaltungen benötigt. Die damalige Lidar-Technologie hatte eine zeitliche Auflösung im Bereich von wenigen Nanosekunden, was die Messung von Entfernungen mit einer Auflösung im Bereich von 1 m ermöglichte. Um eine Auflösung von 1 cm zu erreichen, musste das System 100-mal schneller sein, um Zeitmessungen mit einer Auflösung von mehreren zehn Pikosekunden zu ermöglichen.

Grundlagenforschung für TOF

Eine Kamera zu konstruieren, die Entfernungen mit einer Auflösung und Genauigkeit im 1-cm-Bereich oder zehn Pikosekunden in zeitlicher Auflösung gleichzeitig in Zehntausenden von Pixeln und unter vollem Sonnenlicht messen kann, ist nicht über Nacht zu erreichen. Schon heute sind die Herausforderungen enorm und nur wenige Unternehmen sind in der Lage, diese Herausforderungen zu meistern. CEDES war eines der ersten Unternehmen weltweit, das die 1-cm-Auflösung beherrschte. CEDES hat es jedoch versäumt, ein System bereitzustellen, das bei vollem Sonnenlicht funktioniert. Um sich nur auf dieses Ziel zu konzentrieren, gründete Ihr Autor ein eigenes Unternehmen, ESPOS Photonics Corp. Die Eckpfeiler der Technologieentwicklung bei ESPOS waren:

1. Hohe Nahinfrarot-Empfindlichkeit (NIR)
2. Hochleistungsfähige ladungsgekoppelte Geräte (CCD)
3. Vollständige Mixed-Signal-Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Funktionalität

Es schien unmöglich, diese Schlüsselanforderungen auf einem monolithischen Siliziumchip zu vereinen, da sich CCD und CMOS nicht „mögen“ und eine hohe NIR-Empfindlichkeit mit kostengünstigen CMOS nicht möglich ist.

Eine zentrale Voraussetzung für die Entwicklung war die Maximierung der Quanteneffizienz über einen breiten Wellenlängenbereich bis weit ins NIR hinein. Heutige Bildgebungsanwendungen sind nicht auf eine bestimmte Wellenlänge beschränkt. Von der klassischen Consumer- und Performance-Bildgebung im sichtbaren Spektrum bis hin zum Infrarotbetrieb in industriellen Anwendungen (und darüber hinaus zu multispektralen und hyperspektralen Bildern im Weltraum) erfordert jede Anwendung typischerweise einen bestimmten Bereich. Je mehr ein Imager-Prozess abdecken kann, desto höher ist natürlich das Erfolgspotenzial. Da Rauschen in der Bildgebung immer ein Thema ist, verbessert jede Erhöhung der Quanteneffizienz im Wesentlichen das Rauschverhalten, wobei alle anderen Faktoren gleich sind. Es ist einfach mehr Ladung verfügbar, um ein Signal zu erzeugen.

Die Absorptionslänge von Licht in Silizium bestimmt inhärent die Quanteneffizienz. Es liegt auf der Hand, dass die Wahl der Dicke der verarmten Detektorfläche der günstige Designparameter ist.

Abbildung 3 zeigt den wichtigsten Parameter bezüglich der Quanteneffizienz. Es zeigt, wie tief Licht in Silizium eindringt, bis es vollständig absorbiert wird. Wie zu sehen ist, dringt Licht im sichtbaren Bereich zwischen 400 und 750 nm einige 100 nm bis auf wenige Mikrometer in Silizium ein. Eine dünne aktive Siliziumschicht reicht aus, um eine gute Empfindlichkeit zu erreichen. Im NIR-Bereich (im Bereich von 800-1,100 nm) wird Silizium jedoch für Licht immer transparenter. Daher wird eine dicke aktive Schicht im Bereich von mehreren zehn Mikrometern benötigt.

Die Wahl eines geeigneten Substratmaterials trägt unter anderem zu einer vollständig abgereicherten Detektordicke von 50 µm in CEDES epc Imagern bei (Abbildung 4). Diese Abbildung zeigt deutlich, warum die Empfindlichkeit der ESPOS-Technologie so viel höher ist als das, was mit der Standard-CMOS-Technologie erreicht werden kann. Das zu meistern ist jedoch nicht einfach und es dauerte fast ein Jahrzehnt von der Idee bis sie wirklich funktionierte. Abbildung 5 zeigt den langen Weg zu einem ersten 3D-TOF-Pixel: Weihnachten 2009 (links) zur ersten vollintegrierten 3D-TOF-Kamera auf einem Chip 2012 (Mitte) zum High-Performance Quarter Video Graphics Array (QVGA) 3D-TOF-Imager in 2015. Der Chip in der Mitte hat eine Größe von 2.5 x 2.5 mm2 und enthält etwa eine halbe Million Transistoren. Der rechte QVGA-Imager hat eine Größe von 8 x 9 mm2 und enthält vier Millionen Transistoren.

30-jährige Forschung

Wie bereits erläutert, war umfassende Grundlagenforschung erforderlich, um die erforderliche Leistung zu erzielen – Umgebungslichtunterdrückung und hohe Empfindlichkeit waren besonders wichtig.

Heute sind viele verschiedene Märkte für die 3D-TOF-Technologie ausgereift. Als CEDES vor 30 Jahren mit seiner Forschung begann, dachten nicht viele von uns an Drohnen oder autonomes Fahren. Wer dachte damals an automatische Staubsauger oder Pflegeroboter für ältere oder behinderte Menschen? Solche Anwendungen sind aufgrund der Massenproduktion für Massenmärkte der Treiber für kostengünstige Lösungen. Solche Imager sind sehr komplexe Geräte, deren Entwicklungskosten enorm sind. Aber sobald sie verfügbar sind, sind sie sehr kostengünstig und ideal für die Integration in Geräte im Internet der Dinge (IoT) oder Industrie 4.0.

Einsatz in der Aufzugs-/Rolltreppenindustrie

Der erste Einsatz eines Sensors mit einer 3D-TOF-Kamera soll die heutigen Lichtvorhänge ersetzen. Lichtvorhänge wurden vor 25 Jahren kommerzialisiert, als sie begannen, Einzellichtschranken oder mechanische Sicherheitsleisten zu ersetzen.

Heute ist es Standard, den Zugang zur Aufzugstür abzusichern. Lichtvorhänge sind jedoch recht große Teile – typischerweise zwei Stäbe mit je 2 m Länge, die entweder dynamisch an den Türverkleidungen oder statisch am Auto montiert werden. Sie enthalten Hunderte von Komponenten und haben alle den Nachteil, dass sie die Passagiere nicht wirklich schützen, da sie nur den Bereich zwischen Kabinentür und Schachttür überwachen. Die Vorderkanten der Aufzugstüren werden nicht überwacht, was zu schweren Unfällen führen kann.

Ein Sensor wie in Abbildung 7 gezeigt, schützt den gesamten Türbereich mit einer Größe von nur 10 x 2 x 2 cm3. Durch den sehr hohen Integrationsgrad werden viel weniger Komponenten benötigt, was zu einer deutlich höheren Zuverlässigkeit führt.

Ein weiterer Kandidat für den Einsatz eines 3D-TOF-Sensors ist die Rolltreppe. Der energiesparende Betrieb von Fahrtreppen erfordert heute eine Steuerung, die den Fahrtreppenmotor verlangsamt oder ganz stoppt, wenn die Fahrtreppe nicht benötigt wird. Wenn sich jedoch Personen dem Gerät nähern, sollte es sofort neu gestartet werden. Eine Fehlauslösung der Sensoren, die das Starten der Fahrtreppe signalisieren, ist heute üblich, zB wenn Personen an der Vorderseite einer Fahrtreppe vorbeigehen, ohne diese zu benutzen, nimmt die Fahrtreppe ihren Betrieb auf.

Durch die Verwendung eines 3D-TOF-Sensors, wie in Abbildung 8 gezeigt, löst der Personenfluss zur Rolltreppe nur den Start des Motors aus. Das Überqueren von Personenströmen hat aufgrund der Bildverarbeitungsfähigkeiten des Sensors keine Auswirkungen. Eine weitere Anwendung dieses Sensors besteht darin, die Rolltreppe zu verlangsamen oder ganz zu stoppen, wenn sich die Personen am Ende der Einheit nicht entfernen. Dies kann eine sehr gefährliche Situation vermeiden, die oft die Ursache von Unfällen ist.

Fazit

Die 3D-TOF-Bildgebung ist ausgereift genug, um in vielen Anwendungen eingesetzt zu werden. Ihre Einsatzbereitschaft geht mit der Nachfrage nach dieser Technologie aufgrund des Megatrends IoT und Industrie 4.0 einher. Großvolumige Anwendungen wie autonomes Fahren, Drohnen, Haushaltsgeräte usw. senken die Kosten dieser Technologie, was ihren Einsatz in Anwendungen im Aufzugsbereich ermöglicht.

Danksagungen

Während der Reise Ihres Autors im Bereich 3D-TOF seit 1985 haben ihn mehrere Personen gefördert und unterstützt. Ohne ihren Beitrag wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Ausdrücklich bedankt sich Ihr Autor bei seiner Frau Brigitte, die immer hinter ihm steht, insbesondere wenn es sehr schwierig war, die Arbeit bei CEDES und ESPOS fortzusetzen.

Eine wichtige Inspiration für die Arbeit Ihres Autors kam von Peter Seitz, mit dem er einen sehr langen Teil seiner Reise während der Forschung und Entwicklung des Lock-In-Pixels und seiner praktischen Umsetzung teilte. Wichtige Grundlagenarbeit wurde von vielen Mitarbeitern von ESPOS geleistet, aber besonders wichtige Mitwirkende waren unter anderem Martin Popp, Bettina Weder, Marcel Rüegg, Dieter Kägi, Gion-Pol Catregn, Hanspeter Keller und Markus Ledergerber. Besonderer Dank geht an diejenigen, die mit ihrer Forschung und Entwicklung von 3D-TOF-Systemen grundlegende Erkenntnisse geliefert haben.

Referenzen
[1] De Coi, B.; Popp, M.; und Marchesi, E. „Whitepaper in Imaging: CMOS vs. CCD“ (2012).
[2] C. Hülsmeyer. Deutsche Patentanmeldung Nr. 165546: „Um Entfernte Metallische Gegenstände Mittels Elektrischer Wellen Einm Beobachter zu Melden“ (1904).
[3] Wikipedia. „Radarentwicklung“ (2016).