Was ist eine TOF-Kamera? Und wie funktioniert sie?

TOF 3DCAmerika

Die TOF-3D-Kamera ist mit modernster 3D-Bildgebungstechnologie ausgestattet. Die TOF-Tiefenkamera (Time-of-Flight) repräsentiert eine neue Generation von Distanzmess- und 3D-Bildgebungstechnologieprodukten. Sie sendet kontinuierlich Lichtimpulse zum Zielobjekt aus und empfängt anschließend mit ihrem Sensor das vom Objekt reflektierte Licht. Durch Messung der Laufzeit (Hin- und Rückwegzeit) des Lichtimpulses ermittelt sie die Entfernung zum Zielobjekt.

TOF-Kameras nutzen üblicherweise die Laufzeitmessung zur Entfernungsmessung. Das heißt, bei der Verwendung von Ultraschallwellen etc. wird die Laufzeit gemessen, um die Entfernung genauer zu bestimmen. Diese Entfernungsmessung kann über Lichtstrahlen erfolgen, was in der Praxis deutliche Vorteile bietet. Mit dieser Kamera lässt sich die Größe durch Bildgebung messen, was sehr praktisch ist. Die Messung basiert auf Lichtreflexion; die Entfernung wird durch Berechnung der Laufzeit ermittelt, und der Sensor ermöglicht eine präzisere Erfassung. Der Vorteil dieser Kameraart ist offensichtlich: Sie bietet nicht nur eine höhere Pixelanzahl, sondern ermöglicht durch den zusätzlichen Sensor auch eine realistischere Größenabbildung. Da keine beweglichen Teile benötigt werden, lassen sich durch die Messung bessere Ergebnisse erzielen. Ob Positionierung oder Messung – mit dieser Kamera können Sie Maschinen und Anlagen im Betrieb überwachen und so die Automatisierung vorantreiben.

TOF-Kameras können Hindernisse im Einsatz automatisch umfahren. Dank ihrer Sensorleistung lässt sich die Automatisierung effektiv realisieren, und die Vorteile dieser Kamera liegen auf der Hand. Sie erfasst nicht nur Volumen und Informationen in Echtzeit, sondern optimiert auch die Frachtabfertigung durch verbesserte Automatisierung. Dies beschleunigt die Effizienzsteigerung und bietet große Vorteile bei der Distanzmessung und Bilddarstellung. Kernstück dieser Kamera ist die präzise Erfassung und Darstellung von Objekten. Durch die Impulstriggerung werden detaillierte Zielinformationen erfasst und können nicht nur verfolgt, sondern auch dreidimensionale Modelle im Bild erstellt werden – mit höchster Genauigkeit.

WieTOFKameras funktionieren

TOF-Kameras nutzen aktive Lichtdetektion und bestehen üblicherweise aus folgenden Komponenten:

1. Bestrahlungseinheit

Die Bestrahlungseinheit muss die Lichtquelle vor der Emission pulsmodulieren, wobei die Frequenz der modulierten Lichtpulse bis zu 100 MHz betragen kann. Dadurch wird die Lichtquelle während der Bildaufnahme tausendfach ein- und ausgeschaltet. Jeder Lichtpuls dauert nur wenige Nanosekunden. Die Belichtungszeit der Kamera bestimmt die Anzahl der Pulse pro Bild.

Um genaue Messungen zu erzielen, müssen die Lichtimpulse präzise gesteuert werden, sodass sie exakt die gleiche Dauer, Anstiegs- und Abfallzeit aufweisen. Denn selbst geringfügige Abweichungen von nur einer Nanosekunde können zu Entfernungsmessfehlern von bis zu 15 cm führen.

Solch hohe Modulationsfrequenzen und Präzision lassen sich nur mit hochentwickelten LEDs oder Laserdioden erreichen.

Im Allgemeinen handelt es sich bei der Bestrahlungslichtquelle um eine für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotlichtquelle.

2. Optische Linse

Es dient dazu, reflektiertes Licht zu sammeln und ein Bild auf einem optischen Sensor zu erzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Linsen muss hier jedoch ein Bandpassfilter eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass nur Licht mit der gleichen Wellenlänge wie die Lichtquelle einfällt. Dadurch werden inkohärente Lichtquellen unterdrückt, um das Rauschen zu reduzieren und gleichzeitig eine Überbelichtung des lichtempfindlichen Sensors durch externe Lichtinterferenzen zu verhindern.

3. Bildgebender Sensor

Das Herzstück der TOF-Kamera. Der Sensoraufbau ähnelt dem eines herkömmlichen Bildsensors, ist aber komplexer. Er enthält zwei oder mehr Blenden, um reflektiertes Licht zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu erfassen. Daher ist der Pixel des TOF-Chips deutlich größer als der eines herkömmlichen Bildsensors und liegt üblicherweise bei etwa 100 µm.

4. Steuereinheit

Die von der elektronischen Steuereinheit der Kamera ausgelöste Lichtimpulsfolge ist präzise mit dem Öffnen und Schließen des elektronischen Verschlusses des Chips synchronisiert. Sie liest die Sensorladungen aus, wandelt sie um und leitet sie an die Analyseeinheit und die Datenschnittstelle weiter.

5. Recheneinheit

Die Recheneinheit kann präzise Tiefenkarten aufzeichnen. Eine Tiefenkarte ist üblicherweise ein Graustufenbild, wobei jeder Wert den Abstand zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und der Kamera angibt. Um bessere Ergebnisse zu erzielen, wird in der Regel eine Datenkalibrierung durchgeführt.

Wie misst TOF die Entfernung?

Die Beleuchtungsquelle wird üblicherweise mit Rechteckimpulsen moduliert, da dies mit digitalen Schaltungen relativ einfach zu realisieren ist. Jedes Pixel der Tiefenkamera besteht aus einer lichtempfindlichen Einheit (z. B. einer Fotodiode), die einfallendes Licht in elektrischen Strom umwandelt. Die lichtempfindliche Einheit ist mit mehreren Hochfrequenzschaltern (G1, G2 in der Abbildung unten) verbunden, um den Strom zu verschiedenen Kondensatoren (S1, S2 in der Abbildung unten) zu leiten, die Ladungen speichern können.

Eine Steuereinheit an der Kamera schaltet die Lichtquelle ein und aus und sendet dabei einen Lichtimpuls aus. Gleichzeitig öffnet und schließt die Steuereinheit den elektronischen Verschluss auf dem Chip. Die Ladung S₀Der so erzeugte Lichtimpuls wird auf dem lichtempfindlichen Element gespeichert.

Anschließend schaltet die Steuereinheit die Lichtquelle ein zweites Mal ein und aus. Diesmal öffnet sich der Verschluss später, nämlich zu dem Zeitpunkt, an dem die Lichtquelle ausgeschaltet wird. Die Ladung S₁Das erzeugte Signal wird nun auch auf dem lichtempfindlichen Element gespeichert.

Da ein einzelner Lichtimpuls nur sehr kurz ist, wird dieser Vorgang tausendfach wiederholt, bis die Belichtungszeit erreicht ist. Anschließend werden die Werte des Lichtsensors ausgelesen und daraus die tatsächliche Entfernung berechnet.

Beachten Sie, dass die Lichtgeschwindigkeit c beträgt, t_pist die Dauer des Lichtimpulses, S₀stellt die vom vorherigen Verschluss aufgefangene Ladung dar, und S₁Stellt die vom verzögerten Verschluss gesammelte Ladung dar, dann kann die Entfernung d mit der folgenden Formel berechnet werden:

Die kleinste messbare Distanz ist erreicht, wenn die gesamte Ladung in S0 während der früheren Verschlusszeit gesammelt wird und in S1 während der verzögerten Verschlusszeit keine Ladung gesammelt wird, d. h. S1 = 0. Durch Einsetzen in die Formel erhält man die minimale messbare Distanz d = 0.

Die größte messbare Distanz ist erreicht, wenn die gesamte Ladung in S1 gesammelt ist und in S0 keine Ladung gesammelt wurde. Die Formel lautet dann d = 0,5 × c × tp. Die maximal messbare Distanz wird somit durch die Lichtimpulsbreite bestimmt. Zum Beispiel: tp = 50 ns, durch Einsetzen in die obige Formel ergibt sich eine maximale Messdistanz von d = 7,5 m.

Hardware-Design und Produktmerkmale

Wir verwenden die weltweit fortschrittlichste TOF-Hardwarelösung; Laser der Sicherheitsklasse I, hohe Pixelauflösung, Kamera in Industriequalität, geringe Größe, geeignet für die Tiefeninformationserfassung über große Entfernungen im Innen- und Außenbereich.

Bildverarbeitungsalgorithmus

Durch die Verwendung des weltweit führenden Bildverarbeitungs- und Analysealgorithmus verfügt es über eine hohe Verarbeitungsleistung, benötigt weniger CPU-Ressourcen, bietet eine hohe Genauigkeit und gute Kompatibilität.

Anwendungen

Digitale Industriekameras werden hauptsächlich in der Fabrikautomation, der Navigation fahrerloser Transportsysteme (AGVs), der Raumvermessung, intelligenten Verkehrssystemen (ITS) sowie in der Medizin und den Biowissenschaften eingesetzt. Unsere Flächen-, Zeilen- und Netzwerkkameras finden breite Anwendung in der Positions- und Orientierungsmessung von Objekten, der Überwachung von Patientenaktivitäten und -zuständen, der Gesichtserkennung, der Verkehrsüberwachung, der Elektronik- und Halbleiterprüfung, der Personenzählung und Warteschlangenmessung sowie in weiteren Bereichen.

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