Time-of-Flight auf neuem Level

Mit der Nion wagt IDS den Schritt in ein neues Marktsegment und spricht gezielt Anwender an, die einen attraktiven und kosteneffizienten Einstieg in die 3D-Bildverarbeitung suchen. „Sie ist vor allem dann die richtige Wahl, wenn es auf niedrige Kosten und verlässliche Tiefendaten ankommt. Gerade im Vergleich zu anderen ToF-Kameras am Markt zeichnet sich die Nion durch ihr besonders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und die solide Datenqualität aus. Zudem bietet sie eine deutlich höhere X/Y-Auflösung als herkömmliche VGA-ToF-Kameras, was nicht nur mehr Datenpunkte, sondern auch eine präzisere Erfassung ermöglicht“, erläutert Patrick Schick, Product Manager 3D Vision bei IDS.

iToF-Technologie statt 2D

Viele Aufgaben in der Automatisierung lassen sich zuverlässig mit 2D-Kameras mit nachgeschalteter Bildverarbeitung lösen. Wo Tiefen- und Formdaten jedoch direkte Prozessvorteile bringen, entsteht sofort ein Mehrwert durch 3D-Technik. Mit moderner Time-of-Flight-Sensorik können heute neue Anwendungsbereiche erschlossen werden, ohne den Preis und die Komplexität klassischer High-End-3D-Technik. ToF-Sensoren bestimmen Entfernungen anhand der Zeit, die das Licht benötigt, um vom Sensor zu einem Objekt und zurück zu gelangen. Auf dieser Grundlage können dann Abstand, Form, Position, Höhe und Volumen eines Objekts berechnet werden.

Bei dynamischen Förderprozessen stoßen viele ToF-Kameras jedoch an ihre Grenzen. Die marktüblichen VGA-iToF-Sensoren liefern nur eine begrenzte Datendichte und erzeugen die zur Tiefenberechnung erforderlichen Phasenbilder durch zeitlich aufeinanderfolgende Belichtungen und Auslesevorgänge. Dies verlängert die Gesamtaufnahmezeit und führt dazu, dass sich schnelle Objekte währenddessen weiterbewegen, sodass unscharfe oder unpräzise Tiefeninformationen entstehen. Durch den Einsatz moderner, hochintegrierter iToF-Sensoren wie dem AF0130 von onsemi lässt sich dieses Problem effizient lösen. Die Tiefenerfassung erfolgt dabei direkt und vollständig im Sensor. Durch die weiterentwickelte, integrierte iToF-Sensorarchitektur konnte die XY-Auflösung auf 1,2 MP gesteigert werden, ohne dass dadurch erhebliche Mehrkosten für diese Technologie entstanden sind.

Moderne kosteneffiziente iToF-Kameras machen 3D-Technik für Anwendungen interessant, in denen bisher Kosten, Integrationsaufwand oder Qualitätsgrenzen dagegensprachen.

Diese technische Entwicklung macht 3D-Erfassung in Bereichen attraktiv, die bisher aus Kosten- oder Integrationsgründen ausschließlich 2D genutzt haben, etwa Aufgaben wie Füllstandskontrollen und Präsenzprüfungen – voll oder leer –, die bisher mit 2D-Kameras und Bildverarbeitung umgesetzt wurden. Dass eine kosteneffiziente 3D-Kamera solche Prüfungen heute genauso zuverlässig und oft sogar mit weniger aufwendiger Bildverarbeitung löst, zeigt, wie vielseitig moderne iToF-Kameras einsetzbar sind. Die IDS Nion ist damit kein Nischenprodukt, sondern eine Allround-3D-Kamera, die in vielen Szenarien robuste Ergebnisse liefert.

Hohe Prozessgeschwindigkeiten

Um die Bewegungsstabilität der Nion-Tiefenmessung zu prüfen, wurde in internen Tests ein Lüfter mit 120 mm Durchmesser bei 900 U/min aufgenommen. Bei einer Belichtungszeit von 0,01 ms entstanden vollständig scharfe 3D-Daten ohne sichtbare Bewegungsartefakte. Die äußere Kante des Lüfters bewegt sich dabei mit ca. 5,7 m/s. Dieser Wert liegt in einem Bereich, wie er auch auf schnellen Förderstrecken erreicht werden kann. Für Betreiber bedeutet das: Die 3D-Daten bleiben selbst bei hohen relativen Objektgeschwindigkeiten stabil, ohne dass ein Prozess verlangsamt oder angehalten werden muss.

Neue iToF-Kamera-Generation für laufende Automationsaufgaben

3D-Kameras mit sensorinterner Tiefenverarbeitung mit hoher Auflösung und Betrieb im 940-nm-Bereich greifen zentrale Einschränkungen früherer ToF-Kameras auf. Sie erhöhen die Datendichte, reduzieren Bewegungsunschärfe bei schnellen Abläufen und liefern stabile Tiefenwerte auch bei wechselnden Lichtbedingungen und maximaler Umgebungslichtunterdrückung.

Im Bereich der Prozessautomatisierung ermöglicht Nion die präzise Messung, Verfolgung und Identifikation von Objekten und Paketen jeder Größe und Entfernung. Dabei arbeitet das System mit bis zu 30 Tiefenbildern pro Sekunde bei voller Sensorauflösung. Auch bei bewegten Prozessen wie Fördertechnik oder rotierenden Teilen bleibt die Tiefenerfassung stabil und nahezu frei von Bewegungsunschärfe. Dadurch ist gewährleistet, dass die Prozesse unterbrechungsfrei fortgeführt werden können.

Smarte iToF-Sensoren schaffen kosteneffiziente 3D-Kameras
Direkte ToF-Tiefensensoren bestimmen die Zeit, die ein Lichtsignal benötigt, um vom Sensor zu einem Objekt und wieder zurückzugelangen. Basierend auf diesen Messungen lassen sich Abstand, Form, Position, Höhe und Volumen des jeweiligen Objekts exakt ermitteln. Bei der iToF-Technologie hingegen wird die Entfernung nicht direkt, sondern durch das Analysieren der Phasendifferenz eines modulierten Signals berechnet. Um jeden Tiefenwert zu erfassen, sind vier separate Belichtungen nötig, deren Phasen unterschiedlich moduliert werden. Dank seiner speziellen Pixelarchitektur und der integrierten On-Chip-Verarbeitung erfasst der AF0130 iToF-Sensor der onsemi Hyperlux Serie 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. So entstehen auch bei schnellen Abläufen stabile und klare Tiefenwerte ohne Bewegungsunschärfe.

Fazit

Moderne kosteneffiziente iToF-Kameras machen 3D-Technik für Anwendungen interessant, in denen bisher Kosten, Integrationsaufwand oder Qualitätsgrenzen dagegensprachen.

Bilder: IDS Imaging Development Systems

www.ids-imaging.de