Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 1 Jahr

6-2022

  • Text
  • Stromversorgung
  • Hmi
  • Elektromechanik
  • Kuenstliche intelligenz
  • Industrielle kommunikation
  • Qualitaetssicherung
  • Bildverarbeitung
  • Automatisierung
  • Sensorik
  • Messtechnik
  • Bedienen und visualisieren
  • Messen steuern regeln
  • Bauelemente
  • Iot
  • Embedded systeme
  • Sbc boards module
  • Software
  • Industrie pc
  • Automation
  • Elektronik
Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bildverarbeitung

Bildverarbeitung ToF-Systemdesign – Teil 2: Optisches Design für Kameras, die Entfernungen mit der Lichtlaufzeit messen Bild 1: Das Prinzip der ToF-Technik Bild 2: Beispiel des Querschnitts durch eine optische ToF-Systemarchitektur Autorin: Tzu-Yu Wu, Senior Optical Design Engineer Analog Devices Inc. www.analog.com Auf einen Blick Die Optik spielt eine zentrale Rolle bei Kameras, die Entfernungen über das Laufzeitverfahren (Time of Flight) von Licht messen, und das optische Design bestimmt die Komplexität und Machbarkeit des endgültigen Systems und seiner Leistungsfähigkeit. 3D-ToF-Kameras haben spezielle ausgeprägte Charakteristiken [1], die besondere optische Anforderungen stellen. Dieser Artikel präsentiert die optische Systemarchitektur zur Entfernungsmessung – die aus dem bildgebenden optischen Modul, dem ToF-Sensor auf dem Empfänger und dem Lichtquellenmodul auf dem Sender besteht – und diskutiert, wie man jedes dieser Module optimieren kann, um die Leistung des Sensors und des Gesamtsystems zu steigern. ToF ist eine immer stärker aufkommende 3D-Sensor- und Bildverarbeitungstechnik, die zahlreiche Anwendungen in Bereichen, wie autonome Fahrzeuge, virtuelle und erweiterte Realität, Identifizierung neuer Merkmale und Objektdimensionierung gefunden hat. ToF-Kameras nehmen Entfernungsbilder auf, indem sie die Zeit messen, die das Licht benötigt, um von einer Lichtquelle zu Objekten in einem bestimmten Bereich und zurück zu einem Pixel- Array zu laufen. Die spezielle Technik wird als kontinuierliche Wellenmodulation (CW) bezeichnet, die eine indirekte ToF-Messmethode ist. In einer CW-ToF-Kamera wird das Licht von einer amplitudenmodulierten Lichtquelle von Objekten im Sichtfeld der Kamera (FOV = field of view) zurückgeworfen und die Phasenverschiebung zwischen dem gesendeten und reflektierten Lichtstrahl gemessen. Durch das Messen der Phasenverschiebung bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen kann man einen Tiefenwert für jeden Bildpunkt berechnen. Die Phasenverschiebung erhält man, indem man die Korrelation zwischen dem gesendeten und dem reflektierten Lichtstrahl bei unterschiedlichen relativen Verzögerungen mit einer Photonenmisch- Demodulation in den Bildpunkten (in-pixel photon mixing demodulation [2] misst. Das Prinzip von CW-ToF ist in Bild 1 illustriert. Optische Systemarchitektur der Entfernungsmessung Bild 2 zeigt die optische Systemarchitektur. Sie kann in zwei große Untergruppen aufgeteilt werden: das Bildverarbeitungsmodul (auch als Empfänger oder Rx bezeichnet) und das Leuchtmodul (auch als Sender oder TX bezeichnet). Die folgenden Abschnitte erklären die Funktion jeder Komponente und die besonderen Anforderungen des ToF-Systems, sowie korrespondierende Designbeispiele. Leuchtmodul Das Leuchtmodul besteht aus einer Lichtquelle, einem Treiber, der die Lichtquelle bei hoher Modulation betreibt und einer Streuscheibe, die den Lichtstrahl von der Lichtquelle auf das gewünschte ausgeleuchtete Sichtfeld (FOI) projiziert, wie in Bild 2 illustriert. ToF-Module nutzen abhängig von der Wellenlänge normalerweise schmalbandige Lichtquellen mit geringer Temperaturentwicklung, wie oberflächenemittierende Laser (vertical cavity surface emitting lasers = VCSELs) oder flankenemittierende Laser (edge emitting lasers = EELs). Lichtemittierende Dioden (LEDs) sind allgemein zu langsam für die Anforderungen der ToF-Modulation. VCSELs sind wegen ihrer geringeren Kosten, kleineren Maße und höherer Zuverlässigkeit in den letzten Jahren sehr populär geworden. Zudem lassen sie sich sehr einfach in ToF-Module integrieren. Verglichen mit EELs, die Licht von der Seite emittieren, und LEDs, die Licht sowohl von der Oberseite als auch den Seiten emittieren, strahlen VCSELs das Licht senkrecht von ihrer Oberfläche ab, was eine bessere Ausbeute in der Fertigung und geringere Produktionskosten bedeutet. Darüber hinaus kann das gewünschte FOV mit einem speziell dafür entwickelten Diffusor mit der entsprechenden Streuscheibe und dem optischen Profil erreicht werden. Die Optimierung des Lasertreibers sowie das elektrische Design und Layout der Leiterplatte (PCB) und der Lichtquelle sind besonders 28 PC & Industrie 6/2022

Bildverarbeitung menschlichen Auge noch wahrgenommen werden. Licht mit 940 nm ist jedoch unsichtbar für das menschliche Auge. Bild 3: Spektrale Beleuchtungsstärke der Sonne im NIR [3] wichtig, um einen hohen Modulationskontrast und eine hohe optische Leistung zu erzielen. Beleuchtungs-Wellenlänge (850 nm und 940 nm) Obwohl das ToF-Arbeitsprinzip nicht von der Wellenlänge abhängt (sondern von der Laufzeit des Lichts) und die Wellenlänge deshalb keinen Einfluss auf die Genauigkeit haben sollte, kann die Wahl der Wellenlänge in manchen Einsatzbereichen dennoch die Leistung des Gesamtsystems beeinträchtigen. Im Folgenden einige Betrachtungen zur Auswahl der Wellenlänge: • Quanteneffizienz und Ansprechempfindlichkeit des Sensors Die Quanteneffizienz (QE) und Ansprechempfindlichkeit hängen direkt zusammen. • QE ist ein Maß für die Fähigkeit eines Fotodetektors Photonen in Elektronen umzuwandeln. • Sonnenlicht Obwohl das Sonnenlicht sein Maximum im sichtbaren Spektralbereich hat, ist die Energie in den NIR-Regionen immer noch recht signifikant. Sonnenlicht (und allgemeines Umgebungslicht) kann das Tiefenrauschen (depth noise) erhöhen und den Sichtbereich einer ToF-Kamera reduzieren. Wegen der atmosphärischen Dämpfung gibt es im Bereich zwischen 920 nm und 960 nm glücklicherweise einen Abfall in der Bestrahlungsstärke des Sonnenlichts, in der die Bestrahlungsstärke der Sonne verglichen mit 850 nm nur halb so stark ist (Bild 3). Bei Anwendungen im Freien liefert der Betrieb des ToF-Systems bei 940 nm eine höhere Immunität gegen Umgebungslicht und führt zu einer genaueren Entfernungsmessung. Strahlungsintensität (optische Leistung pro Raumwinkel) Die Lichtquelle generiert eine konstante optische Leistung, die, innerhalb des von der Streuoptik erzeugten Sichtfeldes in einen Raum verteilt wird. Wenn das FOI größer wird, sinkt die Energie pro Steradianten (sr) – das ist die Strahlungsintensität (W/sr). Es ist wichtig zu verstehen, dass die Kompromisse zwischen FOI und Strahlungsintensität die SNR beeinflussen und damit den Tiefenbereich (Entfernung) des ToF-Systems. Tabelle 1 listet einige Beispiele des FOI und der entsprechenden Strahlungsintensität auf, normalisiert auf eine Strahlungsintensität im Winkel von 60° x 45°. Man beachte, dass die Strahlungsintensität als optische Leistung pro rechteckigen Raumwinkel berechnet wird. Fall Horizontale FOI Vertikale FOI Normalisierte Bestrahlungsstärke 1 60° 45° 100% 2 52° 52° 100% 3 60° 60° 76% 4 72° 58° 67% 5 78° 65° 56% Tabelle 1: Normalisierte Strahlungsstärke • R ist ein Maß der Fähigkeit eines Fotodetektors optische Leistung in elektrischen Strom zu wandeln Spezifikationen des Profils der Beleuchtungsstärke Um das Beleuchtungsprofil vollständig zu definieren, sollten mehrere Charakteristika klar spezifiziert sein, wie die Profilform, Profilbreite, optische Effizienz (das ist die in einem bestimmten FOV enthaltene Energie) und der optische Leistungsabfall außerhalb der FOI. Die Spezifikationen des wobei q die Elektronenladung, h die Plank´sche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge sind. Die QE von siliziumbasierten Sensoren ist bei 850 nm rund doppelt so hoch oder noch besser als bei 940 nm. Die CW-ToF-Sensoren von ADI haben 44 % QE bei 850 nm und 27 % QE bei 940 nm. Für die gleiche optische Beleuchtungsstärke führen eine höhere QE und R zu einem besseren Signal-Rauschabstand (SNR) besonders, wenn nicht sehr viel Licht an den Sensor zurückgestrahlt wird, was bei sehr entfernten oder schwach reflektierenden Objekten der Fall ist. • Menschliche Wahrnehmung Obwohl das menschliche Auge unempfindlich für den nahen Infrarotbereich (NIR) ist, kann Licht mit einer Wellenlänge von 850 nm vom Bild 4: Verteilung der Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit der Intensität PC & Industrie 6/2022 29

hf-praxis

PC & Industrie

© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel