Projekt Multispektrales TOF - FH Graubünden

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Projekt
Multispektrales TOF
Projekt auf einen Blick

Projekt auf einen Blick

Im Projekt «Multispektrales TOF» wurde eine Kamera entwickelt, mit der sowohl drei räumliche Dimensionen aufgelöst als auch eine begrenzte Anzahl spektraler Datenpunkte aufgenommen werden können. Da die spektrale Achse nur als halbe Dimension gewertet wird, ergibt sich die Bezeichnung des Systems als 3.5D-Kamera. Die Umsetzung konnte mittels zweier unterschiedlicher experimenteller Ansätze erfolgreich demonstriert werden.

Ausgangslage

Ausgangslage

In den letzten Jahren konnten verschiedene neuartige Kamerasysteme demonstriert und damit neue Anwendungsfelder erschlossen werden. Dies umfasst beispielsweise Time-of-Flight- oder Multispektralkameras.

Time-of-Flight-Kameras (TOF-Kameras) sind 3D-Kamerasysteme, mit denen neben zweidimensionalen Bildern auch die Distanz eines Objekts zur Kamera aufgenommen werden kann. Sie kommen beispielsweise zur Gestenerkennung in Spielkonsolen oder als Sicherheitssensoren in autonomen Fahrzeugen zum Einsatz.

Im Gegensatz dazu erlauben Multispektralkameras die Aufnahme von Datensätzen, die aus zweidimensionalen Bildern und mehreren Spektralkanälen zusammengesetzt sind. Sie enthalten also z. B. Informationen darüber, wie eine Probe elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen reflektiert, was es wiederum ermöglicht, die chemische Zusammensetzung der Probe zu bestimmen. Diese Technologie kommt beispielsweise zur Analyse des Nährstoff- oder Wassergehalts auf landwirtschaftlichen Anbauflächen zum Einsatz.

Projektziel

Projektziel

Ziel des Projektes war es, den Time-of-Flight und den multispektralen Ansatz zu kombinieren und 3.5D-Kameras zu demonstrieren – also Kamerasysteme, bei denen die aufgenommenen Datensätze sowohl drei räumliche Dimensionen als auch eine begrenzte Anzahl von Spektralkanälen umfassen.

Umsetzung

Umsetzung

Mit einer sequentiellen Beleuchtung bei unterschiedlichen Wellenlängen und einklappbaren Bandpassfiltern wurden zwei unschädliche Ansätze verfolgt.

In der Standardkonfiguration erfolgt die Beleuchtung bei TOF-Kameras mittels LEDs im nahinfraroten Wellenlängenbereich. Durch eine sequentielle Ansteuerung von LEDs mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen ist es jedoch möglich, 3D-Datensätze bei unterschiedlichen Spektralkanälen aufzunehmen. Zu diesem Zweck wurde eine TOF-Kamera mit einem speziell entwickelten Beleuchtungsboard ausgestattet, welches über LEDs bei vier unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren und infraroten Bereich verfügt.

Für den alternativen Ansatz wurden verschiedene schmalbandige Bandpassfilter vor dem Kameraobjektiv platziert. Dadurch konnte das durch die Standard-LEDs abgedeckte Wellenlängenintervall in mehrere schmale Spektralkanäle unterteilt werden.

«3.5D-Kameras ermöglichen es, zeitgleich die Oberflächenform und die chemische Zusammensetzung von...
«3.5D-Kameras ermöglichen es, zeitgleich die Oberflächenform und die chemische Zusammensetzung von Proben zu bestimmen.»
Prof. Dr. Hannes Merbold, Leiter Forschung und Dozent am IPI
«Die Eigenschaften des Lichts faszinieren mich jeden Tag aufs Neue.»
«Die Eigenschaften des Lichts faszinieren mich jeden Tag aufs Neue.»
Gion-Pol Catregn, Dozent am IPI
Resultate

Resultate

Für die Demonstration der sequentiellen Beleuchtung mit unterschiedlichen Wellenlängen wurden Aufnahmen von vier verschiedenfarbigen A4-Papierblättern gemacht. Wurden ausschliesslich die Standard-LEDs im nahen Infrarot verwendet, so konnten die Papierfarben nicht identifiziert werden. Eine sequentielle Beleuchtung mit blauen, gelben und grünen LEDs ermöglichte es jedoch, aus den aufgenommenen Datensätzen die Farben der unterschiedlichen Papierblätter zu bestimmen.

Für den alternativen Ansatz wurde als Probe ein dünner Film aus Vanillin verwendet, welches im nahen Infrarot über charakteristische Absorptionslinien verfügt. Bei Verwendung des Bandpassfilters bei 850 nm konnte kein Licht durch den Vanillinfilm transmittiert werden. Mit einem Bandpassfilter bei 880 nm wurde die Probe hingegen transparent.

Weiterführende Information

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