Nowa generacja czujników iToF

Jednym z sekretów sukcesu nowoczesnej automatyki przemysłowej jest wykorzystanie mocy wizji 3D. Tradycyjne czujniki 2D mogą dostarczać tylko płaskie obrazy, co ogranicza ich skuteczność w zastosowaniach takich jak inspekcja urządzeń. Mogą odczytywać kod kreskowy, który może zawierać wymiary przedmiotów, ale nie mogą niezależnie mierzyć rzeczywistego kształtu i rozmiaru ani żadnych potencjalnych wgnieceń, defektów lub nieregularności. Ponadto odczyty 2D są zależne od warunków oświetleniowych, które mogą zaciemniać lub zniekształcać ważne obszary zainteresowania.

Przełom w tych ograniczeniach można osiągnąć dzięki wykrywaniu głębi, przetwarzając oś Z w 3D, podobnie jak robi to ludzki wzrok. Obecnie kamery z głębią obrazu mogą w pełni odwzorować obiekt, wykonywać precyzyjne inspekcje urządzeń, a nawet wykrywać subtelne rysy twarzy w zastosowaniach takich jak kontrola dostępu. Dzięki tym możliwościom wizja 3D zmienia zasady gry w różnych branżach - od obronności i lotnictwa po medycynę, motoryzację i technologię konsumencką. Niezależnie od tego, czy chodzi o wykrywanie przeszkód, rozpoznawanie twarzy, autonomiczne prowadzenie czy roboty asystenci, wykrywanie głębi jest kluczem do nowoczesnej automatyzacji przemysłowej.

Wykrywanie głębi, niezależnie od typu, opiera się na aktywnym lub pasywnym oświetleniu wizualnym. Wykrywanie głębi oparte na oświetleniu pasywnym zazwyczaj wymaga doskonale skalibrowanych czujników i paralaksy, bardzo podobnych do ludzkiego oka. Aktywne wykrywanie wykorzystuje emitowaną wiązkę światła w kierunku celów i wykorzystuje odbitą energię do określenia głębokości. Wymaga to emitera energii, ale oferuje zalety, takie jak przenikanie wszelkiego rodzaju oparów, działanie 24/7 i bardziej deterministyczne działanie. Istnieje kilka technik aktywnego oświetlenia: bezpośredni czas przelotu (dToF), pośredni czas przelotu (iToF), światło strukturalne i aktywne stereo. Pośredni czas przelotu wykorzystuje przesunięcie fazowe między sygnałami przesyłanymi i odbieranymi w celu obliczenia odległości - jest bardzo dokładny, a sprzęt oświetleniowy jest prosty.

Istniejące ograniczenia technologii iToF

Czujniki iToF stanowią podstawę wielu aplikacji, w tym funkcji rozpoznawania twarzy w smartfonach. Jednak ta konkretna funkcja kontroli dostępu może działać tylko z bliskiej odległości. Inne aplikacje wykorzystujące iToF obejmują widzenie maszynowe (MV), robotykę, rozszerzoną rzeczywistość/rzeczywistość wirtualną (AR/VR), biometrię i monitorowanie pacjentów. Obecnie, działając jedynie z bliskiej odległości (<5 m), aplikacje te są ograniczone do użytku wewnątrz pomieszczeń, ze stacjonarnymi obiektami, które nie wymagają wysokiej rozdzielczości. Kilka wyzwań, ograniczających potencjalny zakres technologii iToF, są ruch obiektu, złożoność sprzętu i złożoność procesu przetwarzania danych oraz potrzeba bardzo dokładnej kalibracji.

Wymienione przeszkody albo zmuszają inżynierów do wdrażania złożonych rozwiązań 3D i kosztownych rozwiązań w celu uzyskania głębi, albo po prostu do pominięcia informacji o głębokości. Dzięki innowacjom onsemi z rodziny Hyperlux ID można przezwyciężyć opisane ograniczenia iToF.

Rodzina Hyperlux ID

Rodzina czujników Hyperlux ID firmy onsemi początkowo składa się z dwóch produktów iToF o rozdzielczości 1,2 megapiksela (MP), AF0130 i AF0131. Ta rodzina zapewnia zaawansowaną wydajność w czterech kluczowych obszarach:

1. Odbieranie niezawodnych informacji o głębokości w przypadku ruchomych obiektów

2 Osiąganie optymalnej rozdzielczości głębokości z wysoką dokładnością

3. Zmniejszanie kosztów i rozmiaru urządzenia

4. Skrócenie czasu kalibracji

Zmniejszanie problemów związanych z ruchem obiektu

Jak wspomniano, w celu obliczenia głębokości, czujniki iToF opierają się na odbiciach światła przy użyciu czterech lub więcej różnych faz. Prawie wszystkie istniejące rozwiązania czujników iToF na rynku nie przechwytują i nie przetwarzają tych faz jednocześnie, co powoduje problemy w przypadku ruchomych obiektów. Zaprojektowany z unikalną, zastrzeżoną strukturą wewnętrzną czujnik głębokości Hyperlux ID wykorzystuje tzw. globalną migawkę (cały obraz jest rejestrowany jednocześnie, a nie w sekwencji) z pamięcią masową i przetwarzaniem w czasie rzeczywistym. Umożliwia to stosowanie iToF w aplikacjach wymagających przechwytywania szybko poruszających się obiektów, takich jak obsługa taśmociągów, ramiona robotów, nadzór, unikanie kolizji, wykrywanie gestów i wiele innych.

Większa rozdzielczość = wyższa dokładność + rozszerzona głębokość

Większość czujników iToF dostępnych obecnie na rynku ma tylko rozdzielczość VGA (640x480 pikseli), co ogranicza ich dokładność, a co za tym idzie, ogranicza też spektrum ich zastosowań. Jednym z powodów, dla których VGA jest bardziej rozpowszechnione, jest złożone przechwytywanie fazy i intensywne przetwarzanie danych, o których wspomniano wcześniej. Natomiast czujniki Hyperlux ID są zaprojektowane z rozdzielczością 1,2 MP (1280x960) przy użyciu oświetlenia tylnego (BSI) o grubości 3,5 µm. Jako produkt uboczny zwiększonej rozdzielczości w porównaniu z VGA, czujnik Hyperlux ID oferuje przewagę w postaci rozszerzonego zakresu głębokości. Ponadto, przy mniejszych odległościach zapewniona jest wysoka precyzja, dzięki czemu można stosować optykę o szerszym kącie.

Dzięki wyższej rozdzielczości czujniki Hyperlux ID zapewniają również lepszą wydajność kwantową i zmniejszone drgania głębokości. Ulepszenia te otwierają możliwości nowych zastosowań czujników iToF, w których wysoka rozdzielczość i większa głębokość mają pierwszorzędne znaczenie (np. rozpoznawanie gestów, kontrola jakości, kontrola dostępu).

Istniejące rozwiązania iToF (po lewej) w porównaniu z nowym zaawansowanym Hyperlux ID iToF firmy onsemi (po prawej)

Większy zasięg

Dzięki zwiększonej rozdzielczości, czujnik głębokości Hyperlux ID może mierzyć głębokość na znacznie większe odległości w porównaniu z innymi obecnie dostępnymi czujnikami iToF. Podczas gdy obecne iToF mają zasięg wewnątrz pomieszczeń mniejszy niż 10 metrów, rodzina czujników Hyperlux ID iToF może osiągnąć do 30 metrów. Zastosowanie wysokowydajnej migawki globalnej umożliwia ścisłe dopasowanie się matrycy czujników do parametrów aktywnego oświetlenia podczerwonego, co z kolei ogranicza szum pochodzący z innych źródeł podczerwieni.

Łatwa kalibracja

Dokładne rejestrowanie i obliczanie różnic fazowych w czujnikach iToF wymaga precyzyjnej kalibracji, co jest niezwykle czasochłonnym procesem. Aby ułatwić ten proces, onsemi skonstruowało łatwy w użyciu zestaw deweloperski, który zawiera płytę bazową, płytę główną czujnika i płytę laserową. Zestaw może być używany zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz, w zakresie od 0,5 do 30 metrów. Może tworzyć mapy głębokości, chmury punktów 3D, dane o fazowaniu i głębokości z obrazu.

Żródło: Overcoming Existing Challenges of Indirect Time-of-Flight with Technology Advancements © onsemi

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!