3D Time-of-flight distance measurement with custom - Universität ...

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Eine elegantere Methode zur Entfernungsmessung ist das „Time-of-Flight (TOF)“-
Verfahren (Fluglaufzeitverfahren), ein optisches Analogon zum Ultraschall
Navigationssystem der Fledermaus. Bisher wird das TOF- Verfahren nur eindimensional
eingesetzt, also für die Distanzbestimmung zwischen zwei Punkten. Um mit
solchen 1D Meßsystemen die 3D Information der Szene zu erlangen, benutzt man
Laserscanner. Diese sind aber teuer, groß, verhältnismäßig langsam und
empfindlich gegen Erschütterungen und Vibrationen. Scannende TOF- Systeme
sind daher nur für eine eingeschränkte Anzahl von Applikationen geeignet.
In dieser Dissertation stellen wir erstmals eine nicht scannende bildgebende 3D-
Kamera vor, die nach dem TOF- Prinzip arbeitet und auf einem Array von
sogenannten Demodulationspixeln beruht. Jedes dieser Pixel ermöglicht sowohl die
Messung der Hintergrundintensität als auch die individuelle Ankunftszeit einer HFmodulierten
Szenenbeleuchtung mit einer Genauigkeit von wenigen hundert
Pikosekunden. Das Funktionsprinzip der Pixel basiert auf dem CCD Prinzip
(Charge Coupled Device), welches den Transport, die Speicherung und die
Akkumulation optisch generierter Ladungsträger in definierten örtlich begrenzten
Gebieten auf dem Bildsensor erlaubt. Ladungstransport und -addition können von
CCDs enorm schnell und beinahe verlustfrei durchgeführt werden. Wir bezeichnen
diese neuartigen, hochfunktionalen und leistungsstarken Pixel als Demodulationspixel,
weil man mit jedem von ihnen die Entfernungs- und Reflektivitätsinformation
des zu vermessenden Ziels aus dem empfangenen optischen Signal extrahieren
kann. Die gesuchte Information wird dem aktiven optischen Signal während der
Ausbreitung des Lichts durch die Szene (Time of Flight) aufmoduliert. Jedes Pixel
arbeitet wie eine individuelle Hochpräzisions- Stoppuhr. Da die Realisierung im
wesentlichen auf CMOS- Technologie basiert, wird diese neue Technik von den
stetig fortschreitenden Technologieentwicklungen und -verbesserungen profitieren
und zwar in Form von besserer Zeitauflösung und damit höherer
Distanzgenauigkeit. Dank der Benutzung einer CMOS- Technologie können
zukünftig sehr leicht auch alle bekannten CMOS-APS- Eigenschaften (Active Pixel
Sensor) monolithisch implementiert werden (z.B. Definition und Auslese von
Bildsegmenten: regions of interest, A/D Wandlung auf dem Sensor, …).
Die neuen Bildsensoren sind in einem 2 µm CMOS/CCD Prozess hergestellt
worden, einem leicht modifizierten CMOS Prozess, der zur kostengünstigen
Prototypenfertigung zur Verfügung steht (sogenannte MPWs, Multi Project Wafer).