3D in Echtzeit

Mit dem Einzug leistungsfähigerer Sensorarchitekturen mit BSI-Technologie, Global Shutter, verbesserter Signalverarbeitung und integrierter Auswerteelektronik bieten sich neue Möglichkeiten. Die iToF-Kameras erlauben mit intelligentem Pixelmanagement nicht nur höhere Tiefenauflösung und Reichweiten, sondern bewältigen auch schwierige Lichtverhältnisse deutlich robuster. Anstatt Rohdaten an einen externen Rechner zu liefern, übernehmen die Sensoren selbst wesentliche Verarbeitungsschritte, z.B. die Berechnung von Tiefenbildern, Intensitätswerten und Konfidenzkarten direkt auf dem Chip.

Präzision in Auflösung und Tiefe

Die Qualität einer 3D-Messung hängt nicht nur von der Anzahl der erfassten Bildpunkte ab, sondern vor allem von der Genauigkeit der Tiefendaten. Die neue IDS uEye 3D-Kamera nutzt den 1,2MP-Sensor AR0130 von Onsemi und liefert damit eine hohe XY-Auflösung. Für die eigentliche Tiefenpräzision ist jedoch ein anderer Faktor entscheidend: die Modulationsfrequenz des Lichtsignals, die bei phasenbasierten ToF-Systemen maßgeblich die Genauigkeit und Reichweite bestimmt. Im Vergleich zu marktüblichen Kameras ermöglicht der Sensor Frequenzen von bis zu 200MHz. Der Messbereich wird damit in kleinere Intervalle unterteilt, was zu besserer Tiefenauflösung führt. Ein weiterer Vorteil: Bei hohen Frequenzen wird das System weniger anfällig für Störungen durch Umgebungslicht. Im Nahbereich kann eine hohe Frequenz für maximale Genauigkeit sorgen. Im Fernbereich hingegen lässt sich die Frequenz gezielt anpassen, um große Reichweiten mit stabiler Tiefenauflösung zu erreichen. Durch diese Skalierbarkeit wird das System flexibler, ein klarer Vorteil gegenüber klassischen ToF-Sensoren mit festgelegter und meist niedriger Modulationsfrequenz.

3D-Daten bewegter Objekte

Die Fähigkeit, auch bewegte Szenen zuverlässig zu erfassen, wird heute mehr und mehr zum zentralen Einsatzkriterium für industrielle 3D-Kameras. Kameras mit integrierter Datenverarbeitung und Global Shutter Fähigkeiten, bieten hier einen Paradigmenwechsel. Da die Tiefeninformation direkt onboard pro Pixel erfasst und in Echtzeit ausgewertet wird, entfallen viele der bewegungskritischen Verarbeitungsschritte nach der Datenübertragung zum PC. Sensoren wie der AR0130 ermöglichen die lückenlose 3D-Erfassung auch bei bewegten Objekten, ohne Einbußen bei Genauigkeit oder Reaktionszeit. Davon profitieren insbesondere Anwendungen, wie etwa in der Robotik, Logistik, Packaging oder in der QS bei laufender Produktion. Ohne notwendige Stopps von Förderbändern oder Robotern können Produktionsprozesse weitaus schneller ablaufen und Durchsätze erhöht werden.

Zur Berechnung eines einzigen Tiefenwerts sind in der Regel vier aufeinander abgestimmte Belichtungen mit unterschiedlichen Phasenlagen (typischerweise 0, 90, 180 und 270°) notwendig. Aus diesen vier Signalen wird dann die Phasenverschiebung – und damit die Entfernung – berechnet. Aufgrund seiner speziellen Pixelarchitektur und der integrierten On-Chip-Verarbeitung erfasst der iToF-Sensor alle vier Phasenbilder in schneller Folge und speichert sie direkt und vollständig im Speicher des Chips – ohne zwischenzeitliches Auslesen. Dadurch wird die Zeit zwischen den Belichtungen deutlich verkürzt und die Bewegungsunschärfe spürbar reduziert. Ein weiterer Vorteil des kontinuierlichen Auslesens: Die Tiefeninformationen können effizient neu sortiert und direkt weiterverarbeitet werden – ohne aufwändige Nachbearbeitung. Das macht die Kamera nicht nur robuster gegenüber Bewegungen, sondern ermöglicht auch höhere Bildraten und entlastet das Host-System.