Elektronik auf dem Chip misst Entfernungen

[Frank]

Miniaturisierung in der Messtechnik: Die Firma ifm electronic aus Essen hat ein kleines Streichholzschachtel-großes Abstandsmesssystem entwickelt, das mit Hilfe von Licht Bauteile in Entfernungen von bis zehn Metern millimetergenau erfassen kann. Der Sensor arbeitet nach dem Prinzip des Lichtlaufzeitverfahrens. Lichtempfänger und Signalverarbeitung sind hier auf einem Chip integriert.

Auf Grund der geringen Größe kann die präzise Messtechnik erstmals für Automatisierungsaufgaben genutzt werden. Einsatzgebiete sind Füllstandsmessungen und die Positionierung beispielsweise von Flurförderfahrzeuge in Hochregallagern. Für diese Innovation wurdeder Sensorhersteller in diesem Jahr mit dem Hermes Award der Deutschen Messe ausgezeichnet.

Bisherige Messsysteme, die ebenfalls mit dem Lichtlaufzeitverfahren arbeiten, sind im Vergleich zu dem neuen Sensor recht groß. Hier dient eine Photodiode als Empfangseinheit. Die Signalerfassung und -verarbeitung erfolgt über eine spezielle Auswerte-Elektronik. Auf Grund der aufwendigen Konstruktion sind die Geräte recht teuer. Sie kosten zwischen 2 000 und 3 000 Euro. Das Abstandsmesssystem von ifm ist dagegen schon für rund 250 Euro zu haben.


Weiterlesen hier (http://www.handelsblatt.com/pshb?fn=tt&sfn=go&id=1022740)

Quelle:
http://www.handelsblatt.com/pshb?fn=tt&sfn=go&id=1022740

[RCO]

Wahnsinn, dass man trotz der hohen Geschwindigkeit des LIchts noch so genaue Abstände messen kann! Würde mich interessieren, wie die Elektronik etc. aufgebaut ist. Leider wird das Gerät mit rund 250€ aber für die meisten Hobby-Bauer immernoch unerschwinglich bleiben.

[flooze]

mit interferenzmessungen kann man sogar in nanometerschritten auflösen.

ich schätze dass bei dieser elektronik ein moduliertes signal verwendet wird. beim empfang wird dann die empfangene modulation mit der gesendeten modulation verglichen (bzw. wann diese abgeschickt wurde) und man bekommt eine laufzeit. mit der lichtgeschwindigkeit erhält man dann eine weglänge.

[tobimc]

HI!

Ja! Kann man machen!
Wenn das Ding mal so viel kostet wie der GP2D12 bin ich der erste, der sichs kauft!

Dass man diese unglaublichen Geschwindigkeiten auf einem Chip auswerten kann! NICHT ZU GAUBEN!

Grüße,
Tobi

[Manf]

[fade:06cf5c674a]Ein bekanntes Forum in dem auch an dieser Thematik gearbeitet wird ist das Roboternetz. [/fade:06cf5c674a]

Mit der Zeitauflösung von 1ns erreicht man die Entfernungsauflösung von 150mm. Die Bausteine zur Zeitdifferenzmessung die hier https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=8136 verwendet werden gehen in einigenTypen bis herunter zu 45ps, also 1/20 davon. Es ist aber eine Untersuchung die noch nicht abgeschlossen ist.

Auf diesem Gebiet tut sich technologisch etwas.

Mit Interferenz bis in den Nanometerbereich Entfernungen zu messen ist bei der PTB bis 5m erprobt worden. Es gibt einen Artikel dazu, den ich aber wieder irgendwo vergraben habe.
Manfred

[Günter49]

Hier noch mal in leicht abgewandelter Form der Beitrag, den ich schon mal am 7.4.05 gepostet hatte:

Auf der Messe wird ifm ausstellen (Halle 9, Stand D36) und vielleicht auch den Hermes Award erhalten für ihr „efector pmd“.
http://www.ifm-electronic.de/ifmde/news/news__6AYBM9.htm

Diese efector pmds sind die Abstandsmesser in Franks Beitrag. Sie sind allerdings etwas größere "Streichholzschachteln" 42x42x52mm, arbeiten mit Laserlicht der Schutzklasse 2 (sollte man besser nicht in die Augen kriegen) und zu den genannten 250€ kommt wohl noch die Mehrwertsteuer.
Die Produktnummer bei ifm ist: O1D100. Unter dieser Nummer findet man das Datenblattauf der ifm-seite.

PMDs sind (wenn ich das richtig verstanden habe) optische Entfernungssensoren, die aus der Lichtlaufzeit die Entfernung bestimmen können. In einer Kamera eingebaut, erhält man neben einem normalen Bild auch die 3D-Entfernungsinformation. Diese Technologie könnte meiner Meinung nach die Entfernungsmessung für mobileRoboter revolutionieren. Ein optisches System mit Bild und Entfernung, das zudem noch vom Umgebungslicht unabhängig in Echtzeit funktioniert. Wer z.B. die Anfälligkeit der CMUcam für Umgebungslichteffekte kennt, wird das gar nicht hoch genug schätzen können. Die eigentlichen Erfinder dieser Technologie findet man in der Firma PMD Technologies, die wohl selbst nicht auf der Messe vertreten ist. PMDtec bietet neuerdings zwei Kameras auf Basis dieser Technologie an. Für den Hobbybereich wahrscheinlich unerschwinglich, aber billiger als bisherige Systeme.
http://www.pmdtec.com/

Gruß, Günter

[Manf]

Das ist dann ein richtiger 3D Sensor wie hier in einer Vorform dargestellt.
Bei der beschriebenen Anwendung "Füllstandsmessung" bin ich nicht gleich auf ein 3D System gekommen.


https://www.roboternetz.de/phpBB2/files/p_531_3d_tof_principle.jpg
https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=1857&highlight=omp

Manfred

[Wolferl]

Hier ein Beitrag aus der Opto Times zu diesem Thema:

http://www.ifmefector.com/ifmweb/ifmbigob.nsf/reffiles/optoTimes-2-03-D/$file/optoTimes-2-03-D.pdf

Das Verfahren hört sich sehr Interessant an (ich hab es noch nicht wirklich begriffen ; )

Wolfgang

[Manf]

Hier ein Beitrag aus der Opto Times zu diesem Thema:

Räumliches Sehen mit nur einem Auge
Es gibt Anwendungsbereiche bei der dreidimensionalen Erfassung von Bauteilen, wo triangulatorische und scannende Verfahren nicht einsetzbar sind. Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM fanden eine weitere Möglichkeit des räumlichen maschinellen Sehens. Ihre 3-D-Kamera mit nur einem Auge gewinnt die Information über das Messobjekt mithilfe des Phasenlaufzeitverfahrens und optischer Demodulationstechnik:

Das Objekt wird mit einer intensitätsmodulierten Lichtquelle beleuchtet und mit einer CCD-Kamera mit vorgeschaltetem modulierten Bildverstärker aufgenommen. So hängt die Helligkeit jedes Kamerapixels direkt mit der Entfernung des betrachteten Punkts auf der Oberfläche zusammen. Innerhalb nur einer Sekunde liegen die räumlichen Daten über das Objekt mit der Genauigkeit von einem halben Millimeter vor.

Besondere Vorteile des Systems: die sehr geringe Baugröße und die hohe Aufnahmefrequenz. Einsatzmöglichkeiten bieten sich beispielsweise bei der Erfassung von Bohrlöchern oder der Endoskopie an.
Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft, München

Ich habe mir den Text noch mal angesehen:
"CCD-Kamera mit vorgeschaltetem modulierten Bildverstärker"
Das scheint der Hinweis auf die Technologie zu sein. Ein Bildverstärker ist wohl ein Restlichtverstärker, der eine elektrisch einstellbare Verstärkung hat. Die Reaktionszeit einer solchen Photozelle / oder eines solchen Multipliers liegt im sub-ns Bereich. Dieser wirkt wie ein Verschluß, der bei Ansteuerung mit einem Impuls für die Dauer des Impulses den Restlichtverstärker aktiviert und das Bild durchläßt.

Man kann also offensichtlich, - denn das Ganze dauert ja eine Sekunde, irgendwas läuft da ja ab, - kurze Lichtblitze zur Belichtung senden und mit dem Verschlußimpuls des Bildverstärkers mischen. (Im Sampling Verfahren)

Pro Sample bekommt man dann den der Verzögerung des Verschlußimpulses zugeodneten Entfernungsbereich heller dargestellt.
Bemerkenswert ist damit wohl die Ansteuerbarkeit des Bildverstärkers mir so kurzen Impulsen.



Bei dem neuen Abstandssensor handelt es sich um eine echte Durchbruch-Innovation. Das Prinzip des Photonen-Misch-Detektors wurde hier erstmals für einen optoelektronischen, hochpräzisen Abstandssensor mit minimalen Abmessungen in ein Serienprodukt umgesetzt
Jetzt also noch mal im Vergleich der erste Artikel: Hier ist das ganze nicht zweidimensional sondern es gibt einen "Photonen-Misch-Detektor".

Dabei handelt es sich dann nicht um ein relativ langsames CCD dem eine schneller Bildverstärker vorgeschaltet wird sondern um eine Photodiode die durch einen kurzen Abtastimpuls für die Verschlußzeit in ihren aktiven Arbeitspunkt gebracht wird.
Es ist ja beide Male das Fraunhofer Institut das zusammen zwei Sensoren entwickelt hat einen für Abstands-Bilder und noch einen einfacheren, kleineren für die Abstandsmessung zu einem Punkt.

Manfred

[Wolferl]

Wenn ich das ganze richtig verstehe, dann braucht man pro Pixel einen Verstärker, der dann sozusagen die Verschlusszeit des Pixels steuert. Da liegt auch mein Problem.
1. Chipgeometrie
2. synchrones Ansteuern
3. Homogenität der Verstärker

Die 2. Möglichkeit, einen Restlichverstärker vor ein CCD zu setzen geht auch, nur so weit ich weiß schwankt die Verstärkung der einzelnen Pixel nicht unerheblich. Auch hier hat man das Problem, die Ladungen in den Röhrenwandungen halbwegs synchron mit dem Verschlusspuls abzusaugen.

Wolfgang