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ToF-Kamera mit Laser-Beleuchtung und Farbinformationen

Der 3D-Sensor der Argos3D-P330 ToF-Kamera hat eine Auflösung von 100.000 Bildpunkten, eine Reichweite von ca. 10m und einen zusätzlichen 2D-RGB-Sensor für Farbinformationen. Durch Einsatz einer Laserbasierten Beleuchtung lassen sich auch Messungen bei direkter Sonneneinstrahlung über größere Distanzen bewerkstelligen.

 Dank einer Laserbasierten Beleuchtung sind mit der ToF-Kamera Argos3D-P330 auch Messungen im Sub-Zentimeterbereich m?glich. (Bild: Becom Bluetechnix GmbH)

Bild 1 | Dank einer Laserbasierten Beleuchtung sind mit der ToF-Kamera Argos3D-P330 auch Messungen im Sub-Zentimeterbereich möglich. (Bild: Becom Bluetechnix GmbH)

Time-of-Flight (ToF) ist derzeit in aller Munde und wenn man den Analysten glauben darf, demnächst auch als Teil von zukünftigen Premium-Smartphones in aller Hände. ToF-Kameras ermitteln 3D-Informationen indem sie mit einer Lichtquelle (meist IR) die gesamte Szene beleuchten und die Lichtlaufzeit für jeden Pixel im Sensor parallel messen. Meist erfolgt die Messung indirekt über die Phasenverschiebung der Reflexion des Lichts einer modulierten Lichtquelle. Es werden dazu mehrere Messungen durchgeführt und die Lichtquellen für mehrere hundert Mikrosekunden bis einige Millisekunden aktiviert. Bei Entwicklungen im Consumer- und Automotivebereich steht das schnelle Erfassen von Hindernissen, Bewegungen und das Ermitteln von groben Geometrie-Informationen im Nahbereich im Vordergrund. Dagegen benötigen industrielle Anwendungen üblicherweise Reichweiten von mehreren Metern, eine hohe Zuverlässigkeit der Messung und höhere Absolutgenauigkeiten. Klassische Problematiken beim Einsatz der Kameras sind die Robustheit gegenüber Umgebungslicht (Sonne), der Umgang mit starken Reflektoren bzw. Absorbern im IR-Bereich und das Rauschen bzw. die Genauigkeit. Dafür zeichnen sich ToF-Systeme in vielen Anwendungen durch ihre kompakte Bauweise, hohe Geschwindigkeit und geringen Post-Processing Overhead aus. Die Argos3D-P330 ToF-Kamera erweitert die P3-Serie durch eine Erhöhung der Auflösung auf 100.000 Bildpunkte und Reichweiten bis zehn Metern. Parallel zum 3D-Sensor ist ein RGB-Sensor vorhanden. Die 3D- und RGB-Datenströme lassen sich getrennt auswerten, oder werden von der Kamera zu einer Punktwolke mit zusätzlichen Farbinformationen (RGB+D) kombiniert. Typische Anwendungen für die Systeme sind im Logistikbereich die Vermessung und Dokumentation von Paletten und Stückgut, (De-)Palettierung, Schüttgutvermessungen, autonome Fahrzeuge bis hin zu Anwendungen im Medizinbereich. Dort ergeben sich hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit wie z.B. für Patientenlage, Sturzerkennung oder medizinische Robotik.

Bild 2 | Beim High-Accuracy-Modus der Kamera werden mehrere Einzelbilder kombiniert, um den Dynamikbereich zu erhöhen. (Bild: Becom Bluetechnix GmbH)

Beleuchtung als Schlüssel

Die P330 verfügt über eine Laser-basierte Beleuchtung mit hoher Leistung. Neben der reinen Steigerung der optischen Ausgangsleistung und der Reichweite konnten noch weitere Verbesserungen erzielt werden. Durch das Messprinzip mit einer moduliertern Lichtquelle wurde durch die höhere Frequenz und bessere Modulierbarkeit des Lasers auch die Genauigkeit des Systems erhöht. Auch das Abstrahlverhalten ist homogener als bei einer LED basierten Beleuchtung. Durch die gesteigerte Lichtleistung lassen sich Messungen bei direkter Sonneneinstrahlung über größere Distanzen bewerkstelligen. Hier kam es bisher zu Sättigungseffekten im Sensor. Trotz der hohen Lichtleistung ist die Kamera augensicher nach Schutzklasse 1. In der Kamera übernimmt ein Quad-Core ARM Prozessor die Berechnung sämtlicher Daten ohne das Host-System zu belasten. Es ist auch möglich eigene Applikationen auf der Kamera auszuführen. Die Daten werden per Ethernet übertragen und es stehen APIs für Windows, Linux(x86, ARM) bzw. Unterstützung für Matlab, Halcon, ROS, sowie weitere Frameworks zur Verfügung. Optional lässt sich die Kamera auch komplett über Power-over-Ethernet versorgen und ist, da Sie auf einer modularen Plattform basiert, in verschiedenen Konfigurationen bezüglich PoE, 2D-Farbsensor und Öffnungswinkel erhältlich.

Messungen im Sub-cm-Bereich

Anwendungen im Logistikbereich wie z.B. eine Paletten-Vermessung, bei denen ein Materialmix von stark absorbierenden Verpackungsfolien bis hin zu Reflektoren unterschiedlicher Art auftreten, stellten bisher ToF-Systeme (bzw. jedes aktive Sensorsystem) vor eine schwierige Aufgabe. Hier kommt der High Accuracy Modus der Kamera zum Einsatz. Durch die Kombination von bis zu vier Einzelbildern mit unterschiedlichen Integrationszeiten und Modulationsfrequenzen können sowohl verschiedenste Materialien im Arbeitsbereich erfasst, als auch der Vorteil der maximalen Modulationsfrequenz für hohe Genauigkeit genutzt werden. Die Limitierung des Eindeutigkeitsbereichs (ca.1.8m bei 80MHz) wird dabei aufgehoben. Somit lassen sich Messungen über einen großen Arbeitsbereich ohne zusätzliche Parameternachführung im Sub-Zentimeterbereich realisieren.

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Bild: Becom Bluetechnix GmbH


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