Mit Lichtgeschwindigkeit messen

2004
CEDES AG
CSEM SA
CH-7302 Landquart CH-8048 Zürich
Teilnahme Hannover Messe 2004
Sonderpreis der Ostschweizer Kantone (GR, SG, TG)
Sonderpreis Siemens Schweiz AG, Zürich
Mini 3D time-of-flight Kamera
Mit Lichtgeschwindigkeit messen
Mit unseren zwei Augen und der leistungsfähigen Bildverarbeitung in unserem Hirn erfassen
wir die Welt dreidimensional. Auch in der Technik werden mit Bildsensoren Vorgänge erfasst
und gesteuert. Doch die übliche 2D-Darstellung bietet nur ein klägliches Abbild der Umwelt.
Dank einer bahnbrechenden Technologie liefert jetzt die Kamera ESPROS/TOF 3D-Bilder in
Perfektion.
Die Beleuchtungseinheit der Kamera strahlt
Lichtimpulse auf die zu erfassende Szene.
Diese Impulse werden von den Objekten
reflektiert und gelangen zur Kamera zurück.
Dort wird ihre genaue Ankunftszeit auf
einem CMOS/CCD Bildsensor mit einer Auflösung von bis zu 124 x 160 Pixel registriert.
Jedes Pixel enthält quasi eine extrem schnelle und genaue Stoppuhr, die individuell die
Lichtlaufzeit misst. Damit lässt sich die
Distanz pro Pixel bestimmen und es steht ein
3D-Bild zur Verfügung. Das Prinzip ist also
wie bei einer Fledermaus, die mittels Ultraschallimpulsen die Umgebung «abtastet»
und durch das Echo ein dreidimensionales
Abbild der Umwelt erhält.
Die vom CSEM entwickelten und patentierten Lock-in-Pixel sind der Schlüssel dieser
neuen Technologie. Sie erfassen neben der
lokalen Helligkeit auch alle Distanzen im
Bildausschnitt und ermöglichen so eine
hochauflösende 3D Darstellung in Videogeschwindigkeit oder sogar noch schneller. Da
jedes einzelne Pixel mit einer Präzision von
weniger als 50 Picosekunden misst, kann
eine Distanzauflösung von unter 1 cm erreicht werden. Mit seiner Messleistung liegt
ESPROS/TOF an der physikalischen Grenze
der Genauigkeit, mit der mit Licht mit einer
bestimmten Helligkeit Distanzen gemessen
werden können. Dieser Sensor ist das eigentliche Herzstück der Kamera und zugleich die
grosse Innovation, die bis heute weltweit
unerreicht ist.
Den Ingenieuren von CEDES und CSEM ist es
gelungen, die Kamera mit handelsüblichen
Komponenten aufzubauen. Zudem werden
keine beweglichen Bauteile benötigt. Das
bedeutet, dass das Ganze im Vergleich zu
den heute bekannten 3D-Systemen konkurrenzlos günstig ist. Die Kosten für eine
ESPROS/TOF-Kamera sind nur unwesentlich
höher als für die heute üblichen 2D-Kameras. Eingepackt ist der intelligente Bildsensor, die Beleuchtungseinheit und die Steuerungseinheit in einem kompakten Gehäuse
(125 x 36 x 67 mm), das gleich auch noch den
Rechner für die Bildverarbeitung enthält.
Die Kamera kann überall eingesetzt werden,
wo schon heute Sensor- und Kameratechnologie gebraucht wird. Mit ESPROS/TOF
steht aber auch die 3D-Bilderfassungstechnologie zur Verfügung, um einen grossen
Schritt in Richtung 3D-Fernsehen zu machen.
Die Technologie ist derart bahnbrechend,
dass CSEM und CEDES im Oktober 2003 für
ESRPOS/TOF den «IST-Grand Prize», den
weltweit bedeutendsten Preis für Errungenschaften der Informationstechnologie erhalten haben.
Markt
Für die Kamera ESPROS/TOF öffnet sich eine Vielfalt von Anwendungen, von Nischen- bis
zu «Mega-Märkten»:
• Fertigungs-Automation
(Mass-Kontrolle, Objekterkennung, Robotersteuerung, Maschinensicherheit …)
• Automobilindustrie
(Intelligenter Tempomat, Fahrerunterstützung z. B. beim Spurwechsel,
Rückwärtsfahren ...)
• Sicherheit an automatischen Türen, Toren, Fenstern
(einziehen, einklemmen, quetschen ...)
• Aufzugstechnik
(Sicherheit an automatischen Lifttüren, Personenzählung ...)
• Haustechnik
(Gebäudeüberwachung, Zutrittskontrolle, Raumüberwachung, Personenvereinzelung, Messtechnische Erfassung von bestehenden Gebäuden …)
• Öffentlicher Verkehr
(Personenzählung zur Verkehrsverbundabrechnung ...)
• Unterhaltungselektronik
(3D-Video, -Fernsehen, -Kino ...)
• Medizin
(3D-Endoskope, Remote Surgery mit 3D-Bildern, Sehhilfen für Sehbehinderte, ...)
• und vieles andere mehr.
Abstract
With the ESPROS/TOF, the optical time-offlight principle has, for the first time, been
commercially exploited in a fully solid-state,
miniaturized and cost-effective camera that
can acquire complete 3D image sequences
at video speed or even faster without any
moving parts. Once time-of-flight range cameras are sufficiently small and affordable,
they will be as ubiquitous as today's electronic still and video cameras in a growing
number of professional and consumer applications. The availability of low-cost, easy-touse and eye-safe 3D cameras offers many
applications in such domains as safety and
security, auto-motive and public transportation, and automatic manufacturing. One of
the first markets addressed is safety, in particular automatic doors and gates. The key
to the new technology is the patented so
called “lock-in-pixel”. These pixels detect
not only the spatial brightness to form a
Förderung
Kontakt
KTI/CTI: Die Förderagentur für Innovation.
Beat De Coi
CEDES AG
Weststrasse
CH -7302 Landquart
Tel. +41 81-307 2323
Fax +41 81-307 2325
beat.decoi@cedes.com
www.cedes.com
Schwerpunktprogramm Optique II
black and white image, they provide also distance information. The result is real high
resolution images at video speed. Every
pixel contains something similar to an
extremely fast and accurate stop watch that
measures the time of flight of the light with
a resolution of less than 50 picoseconds.
Hence, a distance resolution of less than
1 centimetre is achieved. This sensor is the
heart of the new camera and the sensational innovation, which is unmatched worldwide until today. On October 2nd, 2003 in
Milano, CEDES and CSEM were awarded the
European Grand Prize for Information
Science Technology (IST), for their common
development of a novel 3D camera. The IST
prize is very important in terms of making
companies and a broader public awareness
of the new opportunities offered by groundbreaking technologies.
Prof. Dr. Peter Seitz
Centre Suisse d’Électronique
et de Microtechnique SA
Badenerstrasse 569
CH-8048 Zürich
Tel. +41 1-497 14 48
Fax +41 1-497 14 00
peter.seitz@csem.ch
www.csem.ch