Grundlegender Aufbau einer 3D Kamera

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1 Grundlegender Aufbau einer 3D Kamera Stefan Schwope, D B C E F A Abbildung 1) Systemkomponenten einer 3D Kamera Eine 3D Kamera besteht aus folgenden grundlegenden Systemkomponenten (siehe Abbildung 1): A) Beleuchtung B) Optik für Beleuchtung C) 3D Sensor D) Optik für 3D Sensor E) ADC / DAC, Auswertlogik, Spannungsversorgung F) Gehäuse -1-

2 Abbildung 2) Zusammenspiel der Systemkomponenten einer 3D Kamera In Abbildung 2 ist das Zusammenspiel der Einzelnen Komponenten dargestellt. Im Folgenden eine kurze Erläuterung zu jeder Komponente. Angemerkt sei noch, dass verschiedene Systemkomponenten integriert sein können. Z.B. kann die Optik für Beleuchtung direkt an die Beleuchtung gekoppelt sein wie z.b. eine Laserdiode mit entsprechend gegossenem enem klaren Optik-Gehäuse, die Integration von ADC / DAC Bauteilen oder sogar die komplette Ansteuerung/Kalibrierung des Sensors direkt im 3D Sensor-Silizium. So können sich erhebliche Preisvorteile ergeben. Beleuchtung Die Beleuchtung kann je nach eingesetzter Technologie sehr unterschiedlich sein. Sie dient zur Ausleuchtung der zu beobachtenden realen Szene. Über die Lichtreflektionen an Objekten kann eine Entfernung berechnet werden. Beim indirekten Pulsverfahren werden für Messungen im Intervall zwischen ca. 10cm und 3m typischerweise rechteckähnliche Pulse mit 30ns Länge und einer er Wiederholrate von ca. 10kHz bis 20kHz eingesetzt. Im CW-Verfahren wird eine modulierte Dauerbeleuchtung benötigt. Die Gesamtleuchtdauer und der Maximalstrom bestimmt unter anderem die Lebensdauer der beiden unten genannten Beleuchtungstechnologien, die in Zukunft in der Herstellung und im Preis immer näher zusammenrücken. Light Emitting Diode (LED) Beleuchtung (Stand 2010) Eine günstige Beleuchtung, die vom Wirkungsgrad bei ca. bis zu 30% liegt. Es gibt LEDs mit sichtbaren und unsichtbaren Wellenlängen Bereichen von blau (400nm bis 500nm) über grün (500nm bis 600nm) und rot (600nm bis 700nm) bis zu IR (>700nm). Die Ausgangsleistung beträgt typischerweise bis zu einigen µw. Größere Leistungen müssen mit LED-Arrays erzeugt werden. Die Lebensdauer liegt bei bis zu Stunden (ca. 5 ½ Jahre Dauerbeleuchtung) für hocheffektive LEDs. Für hohe Leuchtleistungen müssen dieselben Laserschutzbestimmungen beachtet werden, wie für Laserdioden (siehe Laserdioden Beleuchtung). -2-

3 Laserdioden Beleuchtung (Stand 2010) Eine Halbleiter Laserdiode entspricht ungefähr einer LED und einem zusätzlichen Resonator. Der Wirkungsgrad ist mit ca. bis zu über 50% weitaus besser als der von LEDs. Es gibt Laserdioden mit sichtbaren und unsichtbaren Wellenlängen-Bereichen von blau (400nm bis 500nm) über grün (500nm bis 600nm) und rot (600nm bis 700nm) bis zu IR (>700nm). Die Ausgangsleistung liegt typischerweise zwischen einigen mw und einigen Watt. Größere Leistungen müssen mit Laserdioden-Arrays erzeugt werden. Die Lebensdauer liegt bei bis zu Stunden (ca. 5 ½ Jahre Dauerbeleuchtung) für Laserdioden. Für benötigte höhere Peak-Leistungen, wie bei der ToF Pulstechnologie gefordert, sind Laserdioden auf Grund der höheren Energie und des größeren Wirkungsgrades die bessere Wahl. Für hohe Leuchtleistungen müssen, wie auch bei der LED Beleuchtung, Laserschutzbestimmungen beachtet werden. Für CW-Verfahren sind meist nur kleinere Leuchtleistungen erreichbar, da diese Verfahren eine Dauerbeleuchtung voraussetzen. Pulsverfahren können eine höhere Leuchtenergie abstrahlen, da die Mittlere Leistung viel kleiner ist. Ein Pulsverfahren mit 20kHz und 30ns Pulsen kann zum Beispiel theoretisch 1666W Licht-Peaks abstrahlen um die gleiche Mittlere Leistung eines CW-Verfahren mit 1W Dauerleistung zu erreichen. Der Laserdioden Markt erweitert sich in den letzten Jahren von fast ausschließlich CW Laserdioden mit kleineren Leistungen im mw Bereich hin zu pulsbaren Laserdioden Arrays im kw Bereich. Die Preise für solche Lasersysteme werden dabei immer günstiger. Optik für Beleuchtung Die Optik projiziert die Beleuchtung auf den Arbeitsbereich der realen Welt. Als Linsensysteme bieten sich günstige Zylinderlinsen an, die für die meisten Applikationen auch aus Kunststoff gefertigt sein können. 3D Sensor Der Sensor führt die zur Entfernungsberechnung benötigten Messungen durch. Je nach Technologie ist die Qualität anderer Kamerakomponenten entscheidend. Die Kosten der Sensoren und des Gesamtsystems variieren mit der Technologie. Sensoren bestehend aus Mischtechnologien CMOS + CCD sind z.b. höher als die von reinen CMOS-Sensoren. Der Maßnahmen der Hintergrundlichtunterdrückung sind bei vielen CW-Verfahren z.b. teurer als beim indirekten Pulsverfahren. Optik für 3D Sensor Die Optik bildet den Arbeitsbereich der realen Welt auf den Sensor ab. Als Linsensysteme bieten sich günstige Zylinderlinsen an, die Applikationsabhängig auch meist aus Kunststoff sein können. Je nach verwendeter Technologie und Sensortyp -3-

4 müssen auf die Beleuchtung abgestimmte Filterscheiben vorgesehen werden, die gleich zwei Aufgaben erfüllen. Zum einen die Reduktion von Störlicht außerhalb der Beleuchtungswellenlänge wie z.b. Sonnenlicht, zum anderen die gleichzeitig damit verbundene Erhöhung der Dynamik des Gesamtsystems auf Grund später einsetzender Sättigungseffekte im Sensor und weniger Photonenrauschen. ADC Der ADC erlaubt die Konvertierung analoger Sensor-Messausgänge zu digital weiterverarbeitbaren Ausgangsdaten. Die Auflösung und Geschwindigkeit des ADC richtet sich nach den Genauigkeits- und Geschwindigkeitsanforderungen der Applikation. Z.B. entspricht 96dB Dynamik 16bit ADC Auflösung ohne Berücksichtigung von weiteren Sensorfunktionen. Z.B. ist bei automatischer Hintergrundlichtunterdrückung die geforderte Auflösung bei 96dB Dynamik entsprechend kleiner. DAC Ein ADC kann benutzt werden um Sensor-Referenzspannungen über Software einzustellen. Die Kamera kann so dynamisch auf z.b. Eigenschaften des Beobachtungsbereichs angepasst werden auch während der Laufzeit bei z.b. wechselnden Nah-/Fernbereichs Beobachtungen. Bei Applikationen mit konstantem Beobachtungsintervallen können Spannungsteiler verwendet werden, die deutlich günstiger als DACs sind, aber keine Flexibilität in der Ansteuerung erlauben. Auswertlogik Die Auswertlogik übernimmt die Ansteuerung des ADC/DAC, die Ansteuerung des Sensors und die Verarbeitung der Sensor Rohdaten zu Entfernungsinformationen. Die Kommunikation mit Subsystemen oder die Datenauswertung kann ebenfalls hier umgesetzt werden. Die Auswertlogik wendet ebenfalls die Kalibrierung auf die Ausgangsdaten an. Die Systemkalibrierung selber ist ein großer Kostenfaktor, da oft hunderte bis tausende zeitaufwendige Messungen mit dem Endsystem durchgeführt werden müssen. Je nach verwendeter Technologie ist die Kalibrierung mal mehr, mal weniger aufwendig. Zur Umsetzung der Auswertlogik können je nach Komplexität und Entfernungsbereich der Applikation FPGAs oder Mikrocontroller verwendet werden. Die Größe der FPGAs oder Mikrocontroller hängt von der geplanten Funktionsvielfalt ab. Meistens werden FPGA-Lösungen verwendet, da sie flexibler sind und genaueres und schnelleres Timing erlauben. -4-

5 Spannungsversorgung Die Spannungsversorgung speist die Auswertlogik, den ADC und den 3D Sensor mit den benötigten Versorgungsspannungen. Weiter werden aus der Spannungsversorgung Referenzspannungen für den ADC /DAC und den 3D Sensor erzeugt. Gehäuse Das Gehäuse kann vielfältig aufgebaut sein. Beleuchtung und Sensor können in einem Gehäuse oder getrennt verbaut werden. Den Systemen ist gemeinsam, dass die Beleuchtung möglichst nah am Sensor montiert werden sollte, da die Entfernungsberechnung dieses Kriterium häufig voraussetzt. -5-

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