IDS ToF Nion – Time of flight – 36 milionů bodů za sekundu

7. dubna 2026

Moderní technologie iToF přináší zpracování 3D obrazu do pohybu

Ne každá aplikace vyžaduje špičkový systém – neměla by však být nucena slevovat z kvality. Dosud existovaly v oblasti průmyslového 3D zpracování obrazu pouze dvě možnosti: výkonné, ale drahé řešení, nebo levné řešení s kompromisy v rozlišení a kvalitě obrazu. Nové vysoce integrované senzory iToF s vysokým rozlišením a integrovaným zpracováním dat v reálném čase však nabízejí aplikacím, s důrazem na náklady, rychlý a uživatelsky přívětivý přístup k přesné 3D technologii. Je to více než jen řešení mezery na trhu, které by se mohlo stát první volbou pro 3D aplikace, u nichž hraje roli cena, ale které jsou zároveň náročné.

Trojrozměrné snímání scén a objektů je ústřední součástí moderní průmyslové automatizace. Metody, jako je aktivní stereovize založená na projekci vzorů, se ukázaly jako obzvláště účinné – zejména v případech, kdy je vyžadováno maximum detailů, rozlišení a zpracování složitých povrchových struktur. Díky korelaci obrazu založené na projekci zachycují tyto systémy mnoho spolehlivých obrazových bodů i na obtížných površích, což umožňuje přesnou triangulaci a vytvoření detailních map hloubky.

Zároveň prošla technologie měření doby letu paprsku (ToF) v posledních letech pozoruhodným procesem vývoje. Zatímco se kamery ToF dříve používaly především k jednoduchému měření vzdálenosti, pro mnoho průmyslových aplikací byly vhodné jen v omezené míře kvůli svému omezenému rozlišení, dosahu nebo integračním schopnostem. Omezený dosah, nízké rozlišení, vysoká citlivost na okolní světlo a neschopnost správně rozpoznat hloubku pohybujících se objektů výrazně omezovaly jejich praktické využití.

Základní 3D kamera s integrovaným zpracováním hloubky

S příchodem výkonnějších architektur snímačů, jako je například nový snímač iToF AF0130 od společnosti Onsemi, který disponuje pixely se zadním osvětlením (technologie BSI), globální závěrkou, vylepšeným zpracováním signálu a integrovanou vyhodnocovací elektronikou, se situace výrazně změnila. Nové modely kamer iToF s inteligentním řízením pixelů tak nejen umožňují vyšší rozlišení hloubky a větší dosah, ale také mnohem lépe zvládají náročné světelné podmínky.

Zároveň dochází ke změně systémové logiky: namísto odesílání surových dat do externího počítače provádějí samotné senzory základní kroky zpracování – jako je výpočet hloubkových snímků, hodnot intenzity a map spolehlivosti – přímo na čipu. Tento trend směřující k vysoce integrovanému 3D zpracování přímo v samotném snímači nejenže zvyšuje výkon dnešních ToF kamer, ale také výrazně usnadňuje jejich integraci – což představuje rozhodující krok směrem k inteligentním a kompaktním 3D kamerovým systémům pro široké průmyslové využití.

Přesnost v rozlišení a hloubce obrazu

Kvalita 3D měření závisí nejen na počtu zachycených pixelů, ale především na přesnosti údajů o hloubce. Nová 3D kamera IDS využívá 1,2megapixelový snímač AF0130 od společnosti Onsemi, který poskytuje vysoké rozlišení v osách XY – ideální pro skenování jemnějších detailů povrchu v celé oblasti. Pro skutečnou přesnost hloubky je však rozhodující ještě jeden faktor: modulační frekvence světelného signálu, která významně určuje přesnost a dosah fázových systémů ToF. Ve srovnání se standardními kamerami na trhu umožňuje čip od společnosti Onsemi frekvence až 200 MHz – což představuje jasnou výhodu. Důvodem je rozdělení měřicího rozsahu na menší intervaly, což vede k lepšímu prostorovému rozlišení. Zjednodušeně řečeno: Čím vyšší je frekvence, tím jemněji dokáže kamera rozpoznat rozdíly ve fázové poloze, a tím přesněji tak měřit i malé změny vzdálenosti.

Kamera IDS ToF Nion 3D dokáže přesně zachytit i ty nejjemnější struktury o velikosti pouhého 1 mm.

Další výhoda: Při vysokých frekvencích je systém méně náchylný k rušení okolním světlem – což je klíčový faktor pro mnoho průmyslových aplikací ve venkovním prostředí nebo za rychle se měnících světelných podmínek. Schopnost modulace na frekvencích až do 200 MHz, kterou umožňuje čip Onsemi AF0130, tak otevírá značné technické možnosti. V blízkém dosahu může vysoká frekvence zajistit maximální přesnost. V oblasti velkého dosahu lze naopak frekvenci specificky přizpůsobit tak, aby bylo možné dosáhnout velkých vzdáleností se stabilním rozlišením hloubky. Tato škálovatelnost zvyšuje flexibilitu systému – což představuje významnou výhodu oproti tradičním senzorům ToF s pevnou, obvykle nízkou modulační frekvencí.

Vysoká kvalita obrazu i za zhoršených světelných podmínek

Další vlastností nového senzoru společnosti Onsemi, která je důležitá z hlediska jeho použití, je jeho vysoká citlivost v blízké infračervené oblasti při vlnové délce 940nm – v tomto vlnovém rozsahu je vliv slunečního záření výrazně menší než například u vlnové délky 850nm. Kamera iToF od společnosti IDS tuto vlastnost cíleně využívá a pracuje s laserem naladěným na vlnovou délku 940nm. Výsledkem je mimořádně účinné potlačení interferenčního světla a stabilní 3D měření i za náročných světelných podmínek. Díky tomu je tato kamera ideální pro venkovní použití, kde v minulosti často představovalo problém přímé nebo měnící se sluneční světlo.

Optika hraje klíčovou roli při zajišťování toho, aby 3D kamery mohly v tomto případě plně využít svůj potenciál. Je zásadní použít objektiv, který byl speciálně optimalizován pro vlnový rozsah kamery. Jedině tak lze zajistit, že světelný výkon a kvalita obrazu zůstanou trvale na vysoké úrovni i za náročných světelných podmínek, například venku. Asférická čočka navíc zajišťuje rovnoměrnou ostrost v celém zorném poli a omezuje optické zkreslení, což znatelně zlepšuje kvalitu obrazu a eliminuje nutnost časově náročných dodatečných korekcí. Pro všestranné průmyslové aplikace v blízkém i vzdáleném dosahu musí být objektiv navržen tak, aby poskytoval konzistentní ostrost od krátkých až po dlouhé vzdálenosti – bez nutnosti přeostřování.

Výzva – 3D data pohybujících se objektů

Schopnost spolehlivě snímkovat i pohybující se scény se stává stále více klíčovým kritériem pro použití průmyslových 3D kamer. Právě v této oblasti dosáhly dosud mnohé konvenční technologie svých limitů. Zejména u metod strukturovaného světla nebo systémů založených na stereoskopii může pohyb vést k artefaktům nebo chybám v měření – například v důsledku vícenásobné expozice, rozmazání nebo nesprávné korelace obrazových párů. V mnoha aplikacích, kde se vyskytují dynamické procesy, rychle se pohybující objekty nebo vysoké rychlosti dopravníkových pásů, to znamenalo buď se smířit s určitými omezeními, nebo se uchýlit ke složitým a nákladným specializovaným řešením.

3D mračno bodů (vlevo), hloubkový snímek (uprostřed) a snímek intenzity (vpravo) rotujícího ventilátorového kola o průměru 140 mm, pořízené ze vzdálenosti 40 cm při otáčkách 400 ot./min.

3D kamery s integrovaným zpracováním dat a funkcí globální závěrky představují v této oblasti zásadní změnu přístupu. Informace o hloubce jsou snímány přímo v kameře na úrovni jednotlivých pixelů a vyhodnocovány v reálném čase. Není tedy potřeba přenášet rychle data do PC pro vyhodnocení. Moderní senzory, jako je model AF0130, umožňují plynulé 3D snímání i u pohybujících se objektů, aniž by došlo ke snížení přesnosti nebo prodloužení doby odezvy. To je obzvláště výhodné pro aplikace, jako je robotika, logistika, balení a kontrola kvality v rámci běžné výroby. Díky tomu, že není nutné zastavovat dopravníkové pásy ani roboty, mohou výrobní procesy probíhat mnohem rychleji a efektivněji a lze tak zvýšit výrobní výkon.

 K výpočtu jedné hodnoty hloubky jsou obvykle zapotřebí čtyři koordinované expozice s různými fázovými polohami (obvykle 0°, 90°, 180° a 270°). Tyto čtyři signály se pak použijí k výpočtu fázového posunu – a tím i vzdálenosti. Díky speciální architektuře pixelů a integrovanému zpracování na čipu snímač AF0130 iToF zachycuje všechny čtyři fázové snímky v rychlém sledu a ukládá je přímo a kompletně do paměti čipu – bez jakéhokoli průběžného čtení. To výrazně zkracuje dobu mezi jednotlivými expozicemi a znatelně omezuje rozmazání způsobené pohybem. Další výhoda nepřetržitého snímání: informace o hloubce lze efektivně přetřídit a přímo zpracovat – bez časově náročného následného zpracování. Díky tomu je kamera nejen odolnější vůči pohybu, ale umožňuje také vyšší snímkovou frekvenci a snižuje zatížení hostitelského systému. To představuje rozhodující výhodu, zejména v dynamických aplikacích, jako je robotika, logistika nebo manipulace s díly.

Technologie Hyperlux snímače společnosti Onsemi umožňuje rychlé ukládání fázových snímků do interní paměti a jejich kompletní načtení, čímž se při pohybu snižuje výskyt pohybových artefaktů. (Zdroj obrázku: Onsemi)

Smart iToF – technologická komponenta s potenciálem pohánět trh

Díky senzoru Hyperlux dosáhla společnost Onsemi významného milníku ve vývoji technologie iToF. Integrace globální závěrky, interní paměti a zpracování hloubky přímo na čipu řeší klíčové problémy tradičních systémů ToF, jako je omezený dosah, citlivost na okolní světlo a systémové zpoždění. Díky tomu je technologie iToF zajímavá pro aplikace, které se dosud spoléhaly na jiné 3D technologie. Samotný výkonný snímač však nestačí k vytvoření špičkového fotografického řešení. Rozhodujícím faktorem je koordinovaná součinnost optiky, elektroniky, softwaru a systémové integrace.

Společnost Onsemi se proto zaměřuje zejména na úzkou spolupráci se zkušenými výrobci kamer – jako je například firma IDS, která má již mnoho let pevné postavení na trhu s průmyslovými 3D kamerami. Výsledná 3D kamera uEye ToF Nion je příkladem toho, jak lze potenciál technologie Smart iToF proměnit v praktický komplexní systém. V důsledku toho se technologie iToF stále více mění z doplňkového řešení na seriózní alternativu v oblasti průmyslového zpracování 3D obrazu – zejména tam, kde se vyžaduje snadné použití, vysoká míra integrace a stabilní výsledky za proměnlivých provozních podmínek.

První pohled na výkon 3D kamery Nion – seznámte se s výhodami technologie iToF a zjistěte, jak snadné je kalibrovat 3D pracovní prostor a pořídit svůj první 3D snímek pomocí IDS Cockpit

V případě zájmu o více informací nás neváhejte kontaktovat!