Hybride 3D-Multiapertur-Kameras
3D-Kamera- und Sensorsysteme haben mittlerweile weit über Nischenmärkte hinaus ein extrem breites Anwendungsgebiet erschlossen. Einer aktuellen Studie von Tractica zufolge wird der Markt für Hardware und Software von 3D-Technologien von etwa 3.2 Milliarden USD in 2014 bis zu 24.9 Milliarden USD in 2024 steigen, wobei die Hauptanwendungsgebiete in den Bereichen Automobil, Consumer, Robotik und Produktion liegen. Dabei sind vor allem passive Multiapertur- bzw. Stereokameras weit verbreitet und großflächig etabliert. Neben des relativ einfachen Systemkonzeptes basierend auf einer Disparitätsmessung zeichnet sich der Ansatz besonders durch eine hohe Tiefenauflösung, selbst für große Objektabstände, aus indem die Basislänge entsprechend skaliert werden kann. Jedoch bedingt die multikanalige Tiefenrekonstruktion (vor allem bei Stereosystemen) signifikante Nachteile in Hinblick auf die Robustheit bzw. Zuverlässigkeit der 3D-Aufnahme, die beispielsweise für eine sichere Mensch-Maschine Interaktion und im Produktionsumfeld unabdingbar ist. Ein alternativer Ansatz zur 3D-Bildaufnahme basiert auf der Verwendung von innovativen hybriden Optiken. Durch Integration eines Phasen- oder Freiformelements in ein konventionelles Kameraobjektiv wird Tiefeninformation direkt in der Bildverteilung kodiert und kann mithilfe von Bildverarbeitung rekonstruiert werden. Zwar ist diese Methode sehr robust gegenüber Verdeckungen und bietet einen ausgedehnten 3D-Aufnahmebereich, jedoch ist die Tiefenauflösung vor allem bei weit entfernten Objektabständen stark limitiert. Die hier vorgeschlagene Projektidee basiert deshalb auf einer neuartigen Kombination eines Mehrkanalaufbaus und hybrider Optik, um zuverlässige 3D-Aufnahmen zu ermöglichen. Wie in der unteren Abbildung gezeigt, wird der 3D-Objektbereich mit zwei oder mehreren optischen Abbildungskanälen beobachtet, die jeweils mit einem innovativen diffraktiven bzw. Freiformelement ausgestattet sind. Das so aufgenommene Bilderpaar liefert mithilfe nachgeschalteter Bildverarbeitung zunächst unabhängige Tiefeninformationen, einerseits auf Grundlage der Phasenkodierung der Hybridoptik und andererseits durch eine Disparitätsmessung. Diese Information werden durch geeignete Auswahl- und Wichtungskriterien zu einer finaler Tiefenbestimmung vereinigt, ergänzen sich synergetisch und ermöglichen einen erweiterten 3D-Bereich mit hoher Tiefenauflösung und optimierter Zuverlässigkeit.