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Sven Henri Heider

• Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Schaltungskonzepts und Labormusters einer externen Beleuchtung für den Einsatz in der Forschung an Time-of-Flight (ToF) Kameras mit Amplitude-Modulated Continuous Wave (AMCW)-Verfahren. Die externe Beleuchtung stellt einen leistungsstarken Repeater der internen Beleuchtung einer ToF Kamera dar und ist in der Lage die von ToF Kameras genutzten hochfrequenten Rechtecksignale zu emittieren. Da von ToF Kameras in der Regel kein elektrisches Steuersignal (Triggersignal) für den Einsatz einer externen Beleuchtung zur Verfügung gestellt wird, wird dieses aus dem optischen Signal der ToF Kamera gewonnen. Dafür wird ein Konzept für einen optischen Detektor (Trigger) vorgestellt. Dieser setzt sich aus einer Photodiode, einem Transimpedanzverstärker und einer anschließenden Signalaufbereitung zusammen. Außerdem wird gezeigt, wie eine schnelle externe Beleuchtung mit hoher Strahlungsleistung mithilfe eines Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effekt-Transistor (MOSFET) und vier Vertical-Cavitiy Surface-Emitting Laser (VCSEL) umgesetzt werden kann. Dafür werden mit der Serien- und Parallelschaltung von MOSFET und VCSEL zwei Schaltungskonzepte vorgestellt. Als Lichtquellen kommen VCSEL mit einer für ToF Kameras typischen Wellenlänge von 940 nm im Nahinfraroten (NIR) zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem optischen Trigger Signale von bis zu 100 MHz in elektrische Ausgangssignale gewandelt werden können. Außerdem wurden rechteckige Triggersignale mit Anstiegszeiten von 650 ps und Abfallzeiten von 440 ps erzielt. Mit der externen Beleuchtung konnten Signale mit bis zu 100 MHz emittiert werden. Es wurden im Zusammenspiel mit dem optischen Trigger optische Signale mit Anstiegszeiten von 1,5 ns und Abfallzeiten von 960 ps erreicht. Dabei konnten Strahlungsleistungen von knapp 7 W erzielt werden. Das gesamte System aus optischem Trigger und externer Beleuchtung weist eine Latenz von 16 ns auf. Als Ergebnis dieser Arbeit konnte ein System aufgebaut werden, das aufgrund der erzielten Ergebnisse höchstwahrscheinlich als externe Beleuchtung zu Forschungszwecken mit verschiedenen ToF Kameras eingesetzt werden kann. Außerdem besteht die Möglichkeit den optischen Trigger und die Beleuchtung separat zu nutzen.