Time-of-Flight-Kamera: Funktionsprinzip erklärt

Was eine Time-of-Flight-Kamera ist

Eine Time-of-Flight-Kamera (ToF) ist eine 3D-Kamera, die für jedes Pixel Helligkeit und Tiefe erfasst. Sie besteht im Kern aus drei Teilen: einer aktiven Beleuchtung, einem Objektiv und einem Bildsensor.

Die Beleuchtung sendet Infrarotlicht aus, Objekte reflektieren es, und der Sensor fängt es wieder auf. Aus der Laufzeit des Lichts berechnet die Kamera den Abstand zu jedem Punkt der Szene.

So arbeitet eine Time-of-Flight-Kamera

Eine herkömmliche Kamera nimmt mit Fotodioden ein Grau- oder Farbbild auf. Eine ToF-Kamera mit PMD-Sensor (Photon Mixing Device) erfasst dagegen gleichzeitig Helligkeit und Tiefe. Jedes Pixel misst seinen eigenen Abstand, deshalb eignen sich ToF-Sensoren besonders für 3D-Aufnahmen.

Anders als bei einem gewöhnlichen Bildsensor sitzt die Messung direkt auf dem Sensorchip. So bleibt die Kamera kompakt, und die Daten lassen sich schnell verarbeiten.

Wo ToF-Kameras eingesetzt werden

ToF-Sensoren stecken zum Beispiel in der Gestenerkennung, in der Insassenerkennung im Auto und in Unterhaltungselektronik. Sie liefern 3D-Bilder in Echtzeit mit über 30 Bildern pro Sekunde und kommen deshalb auch mit Bewegung gut zurecht.

Wie die Tiefe entsteht

Eine ToF-Kamera beleuchtet das Objekt aktiv mit Infrarotlicht. Das reflektierte Licht kommt zum Sensor zurück, und aus der Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal ergibt sich der Abstand. So entsteht eine detaillierte Tiefenkarte der ganzen Szene.

Weil die Kamera die Phasendifferenz für jedes Pixel auswertet, kennt sie den Abstand zu jedem Punkt im Bild.

Reichweite und Modulation

Wie genau eine ToF-Kamera misst, hängt von der Modulationsfrequenz des Lichtsignals ab. Die Wellenlänge des ausgesendeten Signals legt fest, in welchem Bereich der Abstand eindeutig ist. Liegt ein Objekt weiter entfernt, wird die Messung mehrdeutig.

Mit einer angepassten Modulationsfrequenz lässt sich der Messbereich erweitern. Deshalb passt sich die Technik an ganz unterschiedliche Aufgaben an.

Fazit

ToF-Kameras liefern Tiefendaten in Echtzeit, Bild für Bild. Damit sind sie die Grundlage für Anwendungen in der Automatisierung, in Augmented Reality und in der Industrie, und für die Frachtvermessung mit MetriX­Freight.