Hallo zusammen ,
ich versuche seit Tage den Lichtlaufzeit verfahren zu verstehen , bis
ich auf diesen Artikel gestoßen bin , aber irrgendwie verstehe ich die
Funktionsweise nicht ganz .
http://de.wikipedia.org/wiki/TOF-Kamera
wie berechnet man durch den puls die zeit ?
warum wird 2 pulslichte gesendet ?
warum verzögert sich den reflektierten Licht ?
..
könnte mir vielleicht jemanden helfen?
Mit freundlichem Gruß
Die Funktionsweise wird dann klarer, wenn du dir klar machst, dass du in
eine derartige Kamera mit 200*200 Pixel keine 40000 hochpräzise Uhren
einbauen kannst, die die Laufzeit des jeweiligen Lichtstrahls vom der
Lampe bis zum Photodetektor am EmpfangsChip messen.
Wie aber kann man dann die Laufzeit messen.
Der Trick besteht darin, dass man ein Speicherelement hat, in dem man
eine Größe summieren kann. Ich würde mal annehmen, dass es sich dabei um
Kondensatoren handelt. Sobald der Photodetektor den zurückkommenden
Lichtpuls das erste mal sieht, schliesst er einen Schalter zu diesem
Kondensator. Mit dem Ende des Lichtpulses wird der Schalter wieder
geöffnet. Die im Kondensator danach vorliegende Ladungsmenge ist damit
ein Mass für die Zeitdifferenz und damit für die Laufzeit des Lichts von
der Lampe zum Objekt und wieder zurück.
Im Wikipedia Artikel ist eine kleine Grafik, die die Verhältnisse zeigt.
Im Grunde schickt man einen Lichtblitz los, und betrachtet die Szene mit
einer Kamera. Jedes Pixel der Kamera merkt sich, wann der Lichtblitz(der
an den Objekten in der Szene reflektiert wird)ankommt. Wenn das Licht
frueh ankommt hat es nur einen kurzen Weg vom Blitzlicht zur Kamera
gehabt, kommt es spaet war der Weg entsprechend weiter.
Bei den ToF-Kameras steckt hinter jedem Pixel ein PMD
(Photo-Misch-Detektor oder Photonic-Mixing-Device, wenn man es englisch
lieber mag).
Die Funktionsweise ist die von Karl-Heinz beschriebene: Die Kamera
sendet moduliertes Licht, wobei die Modulationsfrequenz von der zu
erfassenden Distanz abhängig ist. Die Modulationsspannung wird
gleichzeitig zur Steuerung der beiden Schalter genutzt, die das
Photoelement mit einem der beiden Speicherkondensatoren verbinden. Weil
das Licht von der Kamera zum reflektierenden Objekt und wieder zurück
zur Kamera eine gewisse Zeit braucht, ergibt sich ein laufzeit- und
damit distanzabhängiger Ladungsunterschied der beiden Kondensatoren.
Solltest Du so einen Kamera brauchen, ich hab eine oder zwei Swiss
Ranger 4000 (auch im Wikipedia Artikel erwähnt) übrig.
cu
Flo
PS: Die neu Kinetik enthält übrigens auch eine TOF Kamera. Blöderweise
ist das SDK immer noch nicht frei verfügbar.
Karl Heinz schrieb:> Kondensatoren handelt. Sobald der Photodetektor den zurückkommenden> Lichtpuls das erste mal sieht, schliesst er einen Schalter zu diesem> Kondensator. Mit dem Ende des Lichtpulses wird der Schalter wieder> geöffnet. Die im Kondensator danach vorliegende Ladungsmenge ist damit> ein Mass für die Zeitdifferenz und damit für die Laufzeit des Lichts von> der Lampe zum Objekt und wieder zurück.
Das war im übrigen Quatsch.
Das funktioniert anders.
1
In der Beispielskizze arbeitet das Pixel mit 2 Schaltern (G1 und G2)
2
und Speicherelementen (S1 und S2). Die Schalter werden mit einem
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Pulssignal mit der gleichen Länge wie der Lichtpuls angesteuert,
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wobei das Steuersignal für G2 um eine Pulslänge verschoben ist.
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Trifft nun das reflektierte Licht verzögert auf das Pixel auf,
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so gelangt nur ein Teil des Signals in das Speicherelement S1,
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der andere Teil wird in S2 gesammelt. Je nach Distanz verändert
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sich also das Verhältnis von S1 und S2, wie es in der zweiten Grafik
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dargestellt ist.
Eigentlich recht einfach.
Der Speicher S1 integriert solange die Ladung, solange der Puls
generiert wird. Der SPeicher S2 macht dasselbe für eine Pulslänge,
nachdem der Puls komplett draussen ist.
Das Verhältnis der in diesem Zeiträumen gesammelten Ladungen in S1 und
S2 ist dann ein Mass dafür, wie stark verzögert der Puls zurück gekommen
ist. Und damit ist das ein Mass für die Entfernung, da ja die Laufzeit
und der dabei zurückgelegte Weg über die Lichtgeschwindigkeit
zusammenhängen.
Die jetzige: ja. Die frühere: nein (die hatte eine Art Muster auf die
Szenerie projeziert und mit einer normalen, hochauflösenden Kamera
betrachtet. Daraus wurde das 3D-Bild berechnet).
O ... Objekt, zu dem die Distanz bestimmt werden soll
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S1, S2 ... die Integrierer, die die empfangene Lichtmenge aufsummieren
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Der Taktgeber steuert L, S1 und S2 an. Der Taktgeber erzeugt jeweils
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einen Puls. Der Puls geht direkt zur Lichtquelle und sorgt dafür, dass
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ein Lichtstrahl mit genau dieser Pulslänge erzeugt wird.
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Gleichzeitig geht derselbe Puls an S1. Nur solange der Puls an seinem
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Eingang anliegt, summiert S1 die Lichtmenge, die der Empfänger sieht.
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Ein genau gleicher Puls, nur um eine Pulslänge verschoben, geht an S2.
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Wieder: S2 summiert nur dann die vom Empfänger gemeldete Lichtmenge auf,
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wenn sein Puls vom Taktgeber anliegt.
der Taktgeber startet das ganze, in dem er mit dem Puls beginnt.
Gleichzeitig starten daher S1 mit der Summierung dessen, was der
Empfänger wahrnimmt und der Lichtstrahl macht sich auf den Weg
1
Taktgeber -+-> L * O
2
Puls | E
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
da der Empfänger noch nichts detektiert, bleibt der Wert von S1 bei 0.
Der Puls ist (noch lange) nicht zu Ende, die Lichtquelle leuchtet nach
wie vor.
1
Taktgeber -+-> L ** O
2
Puls | E
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
1
Taktgeber -+-> L *** O
2
Puls | E
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
Ich überspring jetzt ein paar Zeitschritte im Pico-Sekunden Bereich. Der
Lichtstrahl ist immer länger geworden ....
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
... und trifft irgendwann auf das Objekt, von dem er reflektiert wird
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E *
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E **
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
Wieder lasse ich jetzt ein bischen Zeit aus. Der Lichtstrahl (die Lampe
leuchtet immer noch), ist bereits auf dem Rückweg ...
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ********
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
und erreicht irgendwann den Empfänger (die Lampe leuchtet immer noch!)
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ****************
3
|
4
+--> S1 0
5
+--> S2 0
Jetzt sieht der Empfänger das erste mal Licht. Da S1 immer noch scharf
ist und der Empfänger etwas sieht, beginnt S1 damit, das zu summieren
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ****************
3
|
4
+--> S1 1
5
+--> S2 0
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ****************
3
|
4
+--> S1 2
5
+--> S2 0
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ****************
3
|
4
+--> S1 3
5
+--> S2 0
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ****************
3
|
4
+--> S1 4
5
+--> S2 0
... (Zeit übersprungen)
1
Taktgeber -+-> L ****************O
2
Puls | E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 0
Irgendwann ist für den Taktgeber der Puls fertig und er erklärt den
ersten Puls für beendet. Dadurch passiert
* die Lichtquelle wird ausgeschaltet
* S1 hört mit summieren auf
* dafür klinkt sich S2 ein und beginnt zu zählen
1
Taktgeber -+-> L ***************O
2
| E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 1
1
Taktgeber -+-> L **************O
2
| E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 2
1
Taktgeber -+-> L *************O
2
| E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 3
1
Taktgeber -+-> L ************O
2
| E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 4
.... (Zeit übersprungen)
1
Taktgeber -+-> L *****O
2
| E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 56
.... (Zeit übersprungen)
1
Taktgeber -+-> L *O
2
| E ****************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 137
.... (Zeit übersprungen)
1
Taktgeber -+-> L O
2
| E ************
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 176
.... (Zeit übersprungen)
1
Taktgeber -+-> L O
2
| E *****
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 230
.... (Zeit übersprungen)
1
Taktgeber -+-> L O
2
| E
3
|
4
+--> S1 228
5
+--> S2 272
In diesem Moment ist der Lichtstrahl komplett durch. Der Empfänger sieht
nichts mehr, S2 hört ebenfalls mit zählen auf.
Bis dann irgendwann vom Taktgeber auch diese 2.te Messperiode als
beendet erklärt wurde.
Die Lichtquelle war insgesamt 500 Einheiten lang eingeschaltet. Genau so
lange war der Puls, der vom Taktgeber erzeugt wurde. Von diesen 500
Einheiten wurden 228 von S1 detektiert und 272 von S2. Und aus diesem
Verhältnis kann man errechnen, wie weit das Objekt entfernt ist. Ist es
näher an der Lichtquelle, dann teilen sich die 500 so auf, dass mehr in
S1 gezählt wird und weniger in S2 (weil ja der zurückkehrende Strahl
viel früher bewirkt, dass S1 mit zählen anfängt; er hat ja den kürzeren
Weg hin und zurück). Bzw. umgekehrt. Ist O weiter von L entfernt, dann
beginnt S1 später mit zählen und erreicht daher einen kleineren Wert,
während dafür S2 den größeren Wert registriert.
Wie auch immer - im Verhältnis von S1 zu S2, bzw. was gleichbedeutend
ist: im Verhältnis von S1 zur Pulslänge, ist die Distanz enthalten und
kann daraus errechnet werden.
Noch besser kann ich es nicht mit Worten erklären. Wenn du jetzt immer
noch nicht verstanden hast, wie das funktioniert, dann muss ich passen,
denn ich werde jetzt kein Simulationsprogramm schreiben, welches den
ganzen Vorgang in einer Animation mit der Möglichkeit der
Distanzvariation und dementsprechenden Laufzeitsimulationen/Animationen
zeigt.
malek jabir schrieb:> könnt ihr den letzen Diagramm(Signalstärken über die Distanz ) erklären> ,und wie wie kommt dass D = S2/(S1+S2) ?
Im Idealfall (keine Dämpfung über der Distanz) ist die Gesamtladung -
also die Summe S1+S2 - immer gleich, die Verteilung aber je nach Distanz
unterschiedlich.
Das Licht hat eine konstante Geschwindigkeit c, der Lichtpuls eine Länge
t, das reflektierende Objekt ist D von der Kamera entfernt.
Ist die Zeit bis zum reflektierenden Objekt gleich Null (D = 0), kommt
das Licht unmittelbar nach der Aussendung wieder am Sensor an und
unmittelbar nach Ende des Lichtpulses kommt kein Licht mehr. In diesem
Fall fließen also alle erzeugten Ladungsträger auf den Speicher S1, da
in der Zeit, in der S2 gefüllt werden könnte, kein Licht erzeugt wird.
=> S1 = 1, S2 = 0 => Rechnung: D = c*t/2 * 0/1 = 0
Ist die Zeit bis zum reflektierenden Objekt gleich einem Viertel der
Pulsdauer (D = c*t/4), kommt das Licht, welches ja den Weg zweimal
zurücklegen muss, genau zur Hälfte der Einschaltzeit von S1 an der
Kamera an und der Lichpuls dauert bis zur Hälfte der Einschaltzeit von
S2. Es fließen also gleich viele Ladungsträger auf S1 und S2 => S1 = S2
= 0,5 => Rechnung: D = c*t/2 * 1/2 = c*t/4
Ist die Zeit bis zum reflektierenden Objekt gleich der halben Pulsdauer
(D = c*t/2), kommt das Licht genau dann an der Kamera an, wenn der
Speicher S2 mit der photoaktiven Schicht verbunden ist und alle
Ladungsträger fließen auf S2. => S1 = 0, S2 = 1 => Rechnung: D = c*t/2 *
1/1 = c*t/2
Für die Fälle dazwischen ergeben sich dann eben andere Verhältnisse
S2/(S1+S2). Man erkennt an der Formel auch, dass Distanzen eindeutig nur
im Bereich von 0 bis c*t/2 erfasst werden können, für größere Distanzen
wiederholen sich die Messwerte.
