Line-Bildsensor

Bildsensor für Lidar-Anwendungen navigiert in die Zukunft

| Autor / Redakteur: Petra Adamik* / Sariana Kunze

Der NSI3000 ist ein Line-Bildsensor für Lidar-Anwendungen, der eine präzise Abstandsmessung in Echtzeit gewährleistet.
Der NSI3000 ist ein Line-Bildsensor für Lidar-Anwendungen, der eine präzise Abstandsmessung in Echtzeit gewährleistet. (Bild: Unitronic)

Bildsensoren entwickeln sich rasant weiter. So wurde nun ein Line-Image-Sensor speziell für Lidar-Anwendungen entwickelt, um eine detailreiche Auflösung von Messwerten zu ermöglichen. Beispielsweise für die Führung von Robotern in smarten Fabriken.

Bildverarbeitung ist ein wesentliches Element vieler industrieller Anwendungen. In den vergangenen Jahren haben deshalb Bildsensoren eine rasante Weiterentwicklung durchlaufen. Auf diese Weise konnten zahlreiche Lösungen für unterschiedliche Branchen optimiert werden. Zum Beispiel ist die Führung von Robotern in einer smarten Fabrik ohne Bildsensoren nicht denkbar. Darüber hinaus werden diese Komponenten in der visuellen Bildverarbeitung, Machine Vision, benötigt. Die Sensoren mit visuellen Eigenschaften gelten auch als wesentliches Element für zahlreiche Einsatzszenarien im Umfeld von Industrie 4.0 sowie des Internet of Things (IoT).

Lidar für Industrie 4.0 und Robotik

So kommen Bildsensoren vielfach bei Applikationen zum Einsatz, die im Umfeld des Edge-Computings genutzt werden. Dafür werden Computer-Anwendungen, Daten und Dienste vom zentralen Rechenzentrum an den äußeren Rändern eines Netzwerks verlagert. Das ermöglicht es, Daten ressourcenschonend an Endgeräten vor Ort zu verarbeiten und von dort aus in die Cloud zu übertragen. Intelligente Sensoren und Sensornetze sind dabei ein wichtiges Grundelement, um die reibungslose Erfassung, Verarbeitung und den Transport der ermittelten Messwerte und Daten sicherzustellen. So unterschiedlich wie die Einsatzgebieter der Bildsensoren sind, so verschieden sind auch die Anforderungen an diese: Mal wird eine sehr hohe Bildwiederholrate verlangt, dann wiederum eine hohe Lichtempfindlichkeit oder höchste Detailgenauigkeit. Um dieses breite Anwendungsspektrum abzudecken, hat Unitronic, Entwicklungsdienstleister und Mitglied des schwedischen Tochterkonzerns Lagercrantz, sein Sensor2cloud-Portfolio um weitere Line-Image-Sensoren erweitert. „Bei dem NSI3000 von Newsight Imaging handelt es sich um einen Line-Image-Sensor für Anwendungen, welche die Welt in ganz anderer Perspektive erfassen soll“, klassifiziert Eduard Schäfer, Leiter der Sensorabteilung bei Unitronic das Produkt. „Dieses stellt einen Wendepunkt bei den Vision-Lösungen für die Automobilindustrie, die Robotik sowie Drohnen, aber auch für Industrie 4.0 dar.“

Definition: Lidar Lidar steht für „Light Detection And Ranging“. Dabei handelt es sich um ein optisches Messverfahren zur Ortung und Messung der Entfernung von Objekten. Im Prinzip ähnelt es dem Radarverfahren. Allerdings werden bei Lidar anstelle von Mikrowellen Ultraviolett-, Infrarot- oder Laser-Strahlen des sichtbaren Lichts (daher Lidar) verwendet. Die Methode wird zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung, aber auch zur Fernmessung atmosphärischer Parameter verwendet. Lidar-Systeme senden Laserimpulse aus und detektieren das zurückgestreute Licht. Aus der Lichtlaufzeit der Signale wird die Entfernung zum Ort der Streuung berechnet. Wolken- und Staubteilchen in der Luft (Aerosole) streuen das Laserlicht und ermöglichen eine hochauflösende Detektion und Entfernungsmessung. Je nach Wellenlänge des verwendeten Laserlichts sind Lidar-Systeme mehr oder weniger empfindlich für molekulare oder Partikelrückstreuung. Die Stärke der Rückstreuung bei einer Wellenlänge hängt von der jeweiligen Partikelgröße und Konzentration ab. Mit Lidar-Systemen, die mehrere Wellenlängen nutzen, kann daher die genaue Größenverteilung der atmosphärischen Partikel bestimmt werden.

Line-Bildsensor basiert auf CMOS-Technologie

Der Sensor basiert auf der CMOS-Technologie und arbeitet mit hochempfindlichen Pixeln. Aufgrund seiner Eigenschaften, kann der aktuelle Sensor die teureren CCD-Sensoren (Charge-Coubled Device) ablösen, beschreibt Unitronic. Dem Hersteller zufolge ist der Bildsensor für programmierbare Abtastgeschwindigkeiten mit einer hohen Bildrate von bis zu 40.000 Frames Per Second (FPS) ausgelegt. Das verbessert Analysen und Reaktionen auf Ereignisse in unterschiedlichen Einsatzfeldern. Der Sensor wurde speziell für Lidar-Anwendungen entwickelt. Diese Lösungen sind beispielsweise essenziell für das „Autonome Fahren“ und unterstützen Fahrzeuge dabei, Hindernisse zuverlässig erkennen zu können. Der Bildsensor verwendet acht Zeilen mit jeweils 2.048 Pixeln, die aus vier Zeilen mit 4 µm x 8 µm Pixeln und vier Zeilen mit 4 µm x 4 µm Pixeln bestehen. Der Container aus großen Pixeln sorgt für eine hohe Empfindlichkeit, während die kleinen Pixel ein feines Signal mit einer effektiven Auflösung von bis zu 8.192 Pixel bei geringer Verlustleistung und kompakter Größe liefern können. Der Sensor verfügt über eine konfigurierbare synchronisierte 10 bis 12 Bit Parallelausgangsschnittstelle sowie eine proprietäre und I2C-Schnittstellen. Darüber hinaus verfügt der Sensor über ein integriertes CDS zur Rauschunterdrückung bei festen Mustern, Umgebungslicht-Subtraktion sowie über einen Onboard-Testmodus. Das optimiert die Erfassung von Messwerten und führt zu deutlich besseren Analysen.

Machine-Vision-Applikationen mit detailreicher Auflösung

Anwendungsbereiche für den Sensor liegen im Bereich von Machine-Vision-Applikationen, wie Roboter-Lidar, Barcodeleser, Industrie 4.0 und Automotive. Die hohe Zahl der Pixel ermöglicht eine detailreiche Auflösung von Messwerten. Der Bildsensor unterstützt programmierbare Datenübertragungsgeschwindigkeiten mit einer hohen Bildrate und liefert zudem eine automatische Belichtungssteuerung. Damit wird bei nahen Objekten eine Sättigung vermieden, während sich die Empfindlichkeit gegenüber entfernten Objekten erhöht. Auf diese Weise lassen sich realitätsnahe und praxisorientierte Werte in einem breiten Radius ermitteln. Die automatische Spitzenerkennung für die Triangulation und die Konfiguration pro Bild ermöglicht zudem eine spontane Reaktion auf Ereignisse. Aufgrund dessen können mit dem Sensor zahlreiche Lösungen im Bereich des autonomen Fahrens, aber auch in der Logistik oder bei intelligenten Haushaltshelfern realisiert werden.

* Petra Adamik, freie IT-Journalistin aus München

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