Eine Time-of-Flight-Kamera liefert 2D- und 3D-Informationen auf einen Schlag. Sie bietet eine attraktive Lösung in einer Vielzahl von Einsatzgebieten, wie beispielsweise in Logistik, Fabrikautomation und der Medizintechnik. Genau wie eine herkömmliche Kamera erzeugt die ToF-Kamera ein zweidimensionales Bild. Doch zusätzlich werden auch Informationen über Lage und Position von Objekten im Bild bestimmt und Distanzwerte geliefert.

Funktionsweise von ToF-Kameras

Bisher ließen sich über zweidimensionale Bilder hinaus reichende Informationen nur durch den kombinierten Einsatz verschiedener Technologien, wie zum Beispiel die Verwendung mehrerer Kameras oder den Einsatz von Kameras plus Laserscanner erzeugen. Die ToF-Kamera erleichtert dieses Szenario deutlich. Eine ToF-Kamera besteht nicht nur aus Optik, Sensor, Auswerteeinheit und Schnittstelle - so wie eine klassische Industriekamera - sondern verfügt zusätzlich noch über eine eigene Lichtquelle und eine spezielle Steuerelektronik.

Die Kamera misst Abstände anhand der Laufzeit von Licht. Dies geschieht jedoch nicht direkt, sondern über einen messtechnischen Trick, bei dem die Lichtintensität über einen bestimmten Zeitraum integriert wird. So kann man die Eigenschaft des Lichts zur Messung nutzen, die der Sensor in der Kamera ohnehin registriert, nämlich die Lichtintensität.

Dafür gibt es verschiedene messtechnische Methoden. Das Prinzip funktioniert folgendermaßen:

Die Steuerelektronik der Kamera schaltet die Lichtquelle ein und wieder aus und formt so einen Lichtpuls. Genau zur gleichen Zeit öffnet und schließt die Steuerung den elektronischen Verschluss des Sensors, der das einfallende Licht in Ladung umwandelt. Die so integrierte Ladung S₀ wird im Sensor gespeichert.

Nun schaltet die Steuerung die Lichtquelle ein zweites Mal ein und wieder aus. Der Verschluss wird dieses Mal jedoch erst zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Lichtquelle geöffnet. In diesem Zeitraum entsteht Ladung S₁, die ebenfalls im Sensor gespeichert wird.

Da ein Lichtpuls sehr kurz ist, wird dieser Vorgang viele tausend Male wiederholt, bis die eingestellte Belichtungszeit vorüber ist. Erst dann wird der Sensor ausgelesen und die angesammelte Ladung ausgewertet. Zusätzlich werden auch Messungen ohne angeschaltete Lichtquelle durchgeführt, um das Hintergrundlicht herausrechnen zu können.

Ergebnis dieser Belichtungssequenz sind zwei Bilder: Im S₀ -Bild sind die nahen Oberflächen heller, denn mit zunehmender Entfernung erreicht immer weniger Licht den Sensor, solange dessen Verschluss noch offen ist. In der S₁ -Aufnahme ist es genau umgekehrt: Nahe Oberflächen sind dunkel, da der Verschluss erst öffnet, wenn das Licht schon eine Weile unterwegs war.

Aus dem Verhältnis dieser Intensitäten kann die Entfernung bestimmt werden.

Gepulste ToF-Kamera

Das beschriebene Verfahren entspricht dem gepulsten Time-of-Flight-Verfahren, das auch die ToF-Kamera von Basler nutzt. Im Gegensatz zu Continuous-Wave-ToF-Kameras sendet dieser Kameratyp einen Lichtpuls und keine sinus-modulierte Welle aus. Der Vorteil der gepulsten ToF-Kamera liegt vor allem in der geringeren Störanfälligkeit gegen Hintergrundlicht und der hohen Geschwindigkeit des Verfahrens. Durch kürzere, intensivere Lichtpulse lassen sich bessere Ergebnisse in kürzerer Zeit erzielen und der Kunde erhält seine Bilder schneller. Die Basler ToF-Kamera verfügt über 640 x 480 Bildpunkte und liefert 15 Bilder pro Sekunde. Das entspricht 4,6 Millionen Entfernungsmessungen in nur einer Sekunde. Sie verwendet einen nativen ToF-Sensor mit relativ großen Pixeln und einem guten Rauschverhalten. Zudem arbeitet sie mit Licht im nah-infraroten Bereich. So können viele Störungen minimiert werden. Die Basler ToF-Kamera ist mit GigE-Industriestandard-Schnittstelle und eingebauter Optik und Lichtquelle ausgestattet, sodass eine einfache Handhabung gewährleistet ist.

Die Einflussfaktoren im Blick

Es gibt in der Realität einige Einflussfaktoren, die Auswirkungen auf die Messungen der ToF-Kamera haben und die Messgenauigkeit einschränken können. Dazu gehören Mehrfach-Reflexionen, Streulicht, Umgebungslicht und Temperatur. Zur Messung wird die Laufzeit des Lichtes für den direkten Hinweg zur Oberfläche und zurück zur Kamera benötigt. Licht, welches auf Umwegen die Oberfläche erreicht, verfälscht die Messung und täuscht höhere Entfernungen vor. Solche Mehrfach-Reflexionen treten zum Beispiel bei Zimmerecken oder dem Boden einer Kaffeetasse auf, die daher ungenauer zu messen sind als etwa eine flache Wand vor der Kamera. Die ToF-Kamera sollte nicht im direkten Sonnenlicht verwendet werden, denn dessen hohe Intensität stört die Messung. Auch sollte eine ToF-Kamera wegen der Rauschempfindlichkeit der Messung nicht bei sehr hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden, beziehungsweise sollte dann für eine aktive Kühlung gesorgt werden.

Typische Einsatzgebiete der ToF-Kamera

ToF-Kameras werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen Abstands- oder Volumen-Informationen eine Rolle spielen. In der Logistik können ToF-Kameras verwendet werden, um Pakete zu befüllen, Inhalte zu überprüfen oder Paletten zu stapeln. Bei diesen Anwendungen spielen nicht nur 2D-Bildinformationen eine Rolle, es ist vielmehr auch wichtig, Informationen über die Breite und Höhe der Objekte zu erhalten. Roboter und autonome Transportfahrzeuge mit ToF-Kameras können ihre Umgebung schnell überblicken und Hindernissen ausweichen sowie Dinge greifen. In der Industrie können beispielsweise genügend große Dinge inspiziert und auf ihre Verpackung oder Vollständigkeit hin überprüft werden.

Fazit

Die Entfernungsmessung mit einer ToF-Kamera erfolgt schnell und effizient. Anders als bei normalen Kameras sind Steuerelektronik und Lichtquelle in der ToF-Kamera wichtige Bestandteile, deren Charakteristik unmittelbaren Einfluss auf die Messgenauigkeit der Kamera haben. Alle Komponenten sind platzsparend in einem kompakten Gehäuse untergebracht und müssen nicht vom Kunden anwendungsspezifisch zusammengestellt werden. Die Kamera lässt sich schnell und unkompliziert installieren. Wird sie richtig kalibriert und unter angemessenen Umgebungsbedingungen eingesetzt,  liefert sie über 4 Millionen zentimetergenaue Entfernungsmessungen pro Sekunde - schneller lässt sich ein Raum nicht erfassen.