3D Time-of-Flight Sensor Evaluation Module mit Matlab/Simulink

Sensor: TI Evaluation Module: OPT8241-CDK-EVM

Autor: Asaad Al-Suleihi

Beschreibung des Sensors

Bei dem betrachteten Sensor handelt es sich um ein Kamerasystem, das mit Hilfe des Time-of-Flight-Verfahrens ein 3D-Bild seiner Umgebung erstellen kann, kurz 3D ToF. Bei diesem wird ein Lichtstrahl pulsiert in eine Umgebung geworfen und die reflektierten Strahlen von einem Sensor aufgenommen. Anhand der Phasenverschiebung der gesendeten und aufgenommenen Strahlen lässt sich pro Bildpunkt die Entfernung zu einem Objekt berechnen und somit ein 3D-Bild der Umgebung erstellen. Der Bildsensor in einem ToF-System wird auch als Photonic Mixer Device, kurz PMD, bezeichnet (CITE).

Aufbau der Evaluations-Kit OPT8241 CDK

Das Sensorsystem besteht aus drei Komponenten. Die Optik besteht aus einer Platine mit einer Lichtquelle. Genauer sind hier vier Laserdioden eingebaut. In der Abbildung (ABB) ist diese Komponente grün umrandet. Die zweite Komponente, die Steuerungs- und Auswerteelektronik, steuert zum einem die Lichtquelle und bestimmt somit die Lichtimpulse. Zum anderen enthält sie den eigentlichen Lichtsensor samt seiner Optik. Sie wertet die nimmt die von Objekten in der Umgebung zurückreflektierten Lichtstrahlen auf und berechnet daraus die Tiefeninformationen der jeweiligen Pixel. Diese Komponente ist im Bild (ABB) rot umrandet. Unterstützt wird das System durch die dritte Komponente, die z.B. Arbeitsspeicher, Konfigurations- und Kalibrierspeicher, USB-Schnittstelle, Power-Management usw. bereitstellt. Im Bild ist diese blau umrandet. (BILD)

Funktionsweise des Sensors

Ein 3D ToF-Sensor besteht hauptsächlich aus zwei Komponenten: ein Lichtsensor, z.B. ein CMOS-Lichtsensormatrix, und eine modulierte Lichtquelle, meist eine Laserdiode. (CITE) Die Umgebung wird von der Quelle mit Lichtpulsen angestrahlt. Diese Lichtstrahlen werden von Objekten in der Umgebung zurückreflektiert und vom Sensor erfasst. Durch die Berechnung der Phasenverschiebung zwischen abgestrahlten und aufgenommenen Lichtstrahl kann die Entfernung zum Reflektionspunkt ermittelt werden. Es wird also über die Flugdauer zum Objekt die Distanz ermittelt. Daher stammt der Name Time-of-Flight. (BILD)

Die Lichtquelle sendet ein Lichtpuls der Breite $\Delta t$ aus. Am Sensor werden dabei über zwei Zeitfenster $C_1$ und $C_2$, die Phasenverschoben sind, die Menge der auftretenden Lichtenergie gemessen und aufaddiert. Diese wird im Sensorinneren durch freigesetzte Elektronen erfasst. Durch das Aufaddieren von Elektronenaufkommen wird die Ladung über die Zeitfenster $C_1$ und $C_2$ ermittelt. Diese werden respektive $Q_1$ und $Q_2$ bezeichnet. Daraus lässt sich mit der Formel

$d = \frac{1}{2}\, c \, \Delta t \, \frac{Q_1}{Q_1 + Q_2}$

die Entfernung $d$ vom Reflektionspunkt zu Bildpixel im Sensor berechnen.(CITE)(BILD)

Der Sensorkern stellt ein CMOS-Bildsensor dar. Hier werden die eintreffenden Photonen in einem elektrischen Signal umgewandelt. Um diesen Kern herum existiert eine Reihe von anderen Bausteinen. Unter anderem ein Analog-Digital-Umwandler, Timing-Generator, der das zeitliche Abstimmen der Lichtausstrahlung und Bildaufnahme koordiniert, ein Modulationsblock, der die Modulation der Lichtimpulse regelt und ein Ausgabeblock für die Ausgabe der Sensordaten zur weiteren Bearbeitung. Der schematische Aufbau des Sensors ist in der Abbildung (ABB) dargestellt. (BILD(CITE))

Technische Daten (CITE)

• Sensorauflösung: 320 x 240 Pixel
• Bildrate: 30 Bilder / Sekunde
• Entfernungsgenauigkeit: < 0,01%
• Wellenlänge der emittierten Lichtstrahlen: 850 nm
• Sensorreichweite: bis zu 5 m
• Sichtfeld: Horizontal: 74,4 °; Vertikal: 59,3°

Literatur

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