導讀

傳統工業3D視覺深陷兩難困局：要么高價換取高性能，要么犧牲精度以控制成本。智能iToF技術的崛起成功打破了這一局面。它通過片上深度處理、全局快門與高頻調制等創新，在維持成本優勢的同時，實現了高分辨率、復雜光照穩定性與動態物體精準捕捉。這不僅填補了市場空白，更以其易用、緊湊和可靠的特性，正崛起為苛刻工業應用中傳統3D方案的強勁替代者。

一、現代iToF技術讓3D圖像處理動起來

并非每款應用都需要高端系統—但品質不應因此妥協。迄今為止，工業3D圖像處理僅有兩種選擇：要么性能強大但價格昂貴，要么價格低廉但需在分辨率和圖像質量上做出妥協。然而，新型高集成度iToF傳感器憑借其高分辨率和集成實時數據處理功能，為注重成本的應用場景提供了快速、易用的精準3D技術解決方案。這是否不僅是填補市場空白的一種解決方案，更有望成為注重成本但要求嚴苛的3D應用的首選？

場景與物體的三維捕捉是現代工業自動化中的核心組成部分。基于圖案投影的主動立體視覺等方法已被證明特別有效—尤其在需要最大細節、分辨率以及處理復雜表面結構時。基于投影的圖像相關技術，此類系統即使在復雜表面上也能捕捉大量可靠圖像點，從而實現精確三角測量和生成詳細深度圖。這意味著您始終處于基于圖像的測量技術的前沿。

與此同時，飛行時間技術在近年經歷了顯著的成熟進程。雖然飛行時間（ToF）相機此前主要用于簡單的距離測量，但由于其分辨率、測量范圍或集成能力有限，在許多工業應用中僅能發揮有限的作用。有限的探測范圍、較低的分辨率、對環境光的高敏感度以及無法準確檢測移動物體的深度，這些因素顯著限制了其實際應用。

二、3D入門級相機，集成深度處理功能

隨著更強大的傳感器架構的出現，例如onsem推出的新型AF0130 iToF傳感器，其采用背照式像素（BSI技術）、全局快門、改進的信號處理以及集成評估電子元件，使得情況發生了顯著變化。新型iToF相機搭載智能像素管理技術，不僅實現了更高的深度分辨率和更遠的探測距離，更能從容應對復雜光照環境。

與此同時，系統邏輯正在發生轉變：傳感器不再將原始數據發送至外部計算機，而是直接在芯片上執行關鍵處理步驟—例如計算深度圖像、強度值和置信度圖。這種在傳感器端實現高度集成的3D處理趨勢，不僅使ToF相機在當今更加強大，還顯著簡化了集成過程—這是邁向智能緊湊型3D視覺系統、實現廣泛工業應用的關鍵一步。

三、分辨率與深度的精準度

三維測量的質量不僅取決于捕獲的像素數量，更關鍵的是深度數據的精度。友思特合作伙伴IDS的新型3D相機采用onsemi120萬像素AF0130傳感器，提供高XY分辨率，可完美掃描大面積區域內的精細表面細節。

然而，另一個因素對實際深度精度至關重要：光信號的調制頻率，它在很大程度上決定了基于相位的飛行時間系統的精度和測量范圍。與市面上的標準相機相比，onsemi可實現高達200 MHz的頻率—這無疑具有顯著優勢。這是因為測量范圍被劃分為更小的區間，從而獲得了更高的深度分辨率。簡而言之：頻率越高，相機就越能精確地檢測相位位置的差異，從而更準確地測量微小的距離變化。

即使是最精細的1毫米結構，也能被IDS Nion 3D相機精準解析

另一個優勢：在高頻條件下，該系統對環境光干擾的敏感度降低—這對許多戶外工業應用或光照條件快速變化的場景至關重要。onsemi的AF0130器件實現了高達200 MHz的調制能力，由此創造了顯著的技術空間。在近距離情況下，高頻可確保最高精度。另一方面，在遠距離區域，頻率可進行專門調整，以實現具有穩定深度分辨率的長距離探測。這種可擴展性使系統更具靈活性—相較于采用固定且通常較低調制頻率的傳統飛行時間傳感器，這構成顯著優勢。

四、在復雜光照條件下仍能保持高圖像質量

新推出的onsemi傳感器另一項應用相關特性是其在940納米近紅外波段的高靈敏度—該波長范圍相較于850納米等波段，受日光干擾顯著較小。友思特合作伙伴IDS使用的iToF相機正是利用了這一特性，配合調諧至940納米的激光器工作。結果：即使在復雜的光照條件下，也能實現特別高的干擾光抑制和穩定的3D測量。這使得該相機非常適合戶外應用場景，在過去，直射或變化的陽光常常是戶外拍攝面臨的難題。

光學技術在此發揮著關鍵作用，確保3D相機能夠充分發揮其潛力。必須使用經過專門優化以適應相機波長范圍的鏡頭。這是確保即使在戶外等復雜光照條件下，光輸出和圖像質量仍能保持穩定高水平的唯一途徑。此外，非球面鏡片可確保整個成像區域的銳度均勻，并減少光學畸變，從而顯著提升圖像質量，同時省去了耗時的后期校正步驟。為滿足近距離與遠距離的多元工業應用需求，鏡頭設計必須確保從近距離到遠距離都能提供穩定的清晰度—無需重新對焦。

五、挑戰—移動物體的3D數據

可靠捕捉動態場景的能力正日益成為工業3D相機應用的關鍵標準。這正是許多傳統技術迄今為止所達到的極限所在。特別是在結構光方法或基于立體視覺的系統中，運動可能導致偽影或測量誤差—例如通過多重曝光、圖像模糊或圖像對相關性錯誤。對于許多涉及動態過程、快速移動物體或傳送帶速度的應用場景而言，這意味著要么忍受功能限制，要么依賴復雜且昂貴的專用解決方案。

旋轉的140毫米風扇輪的3D點云（左）、深度圖像（中）和強度圖像（右），拍攝距離為40厘米，轉速為400轉/分鐘。

具備集成數據處理和全局快門功能的3D相機，為該領域帶來了根本性的范式轉變。由于深度信息是直接在設備上按像素進行采集并實時評估的，因此數據傳輸至PC后，許多關鍵的運動處理步驟已不再必要。現代傳感器如AF0130，即使面對移動物體也能實現無縫3D檢測，且不會影響檢測精度或響應速度。這對于機器人技術、物流、包裝以及持續生產中的質量保證等應用尤為有益。

無需停止傳送帶或機器人，生產流程便能以更快的速度和更高的效率運行，從而提升生產效率。 要計算單個深度值，通常需要四個不同相位位置（通常為0°、90°、180°和270°）的協調曝光。這四個信號隨后被用于計算相位差—從而測得距離。得益于其特殊的像素架構和集成式片上處理，AF0130 iToF傳感器能夠快速連續捕獲全部四個相位圖像，并將其直接完整地存儲在芯片內存中—無需任何中間讀出過程。這顯著縮短了兩次曝光之間的時間，并明顯減少了運動模糊。連續閱讀的另一個優勢：深度信息可高效重新排序并直接進行后續處理—無需耗時的后處理。這不僅使相機更抗震動，還能實現更高的幀率并減輕主機系統的負載。這具有決定性優勢，尤其在機器人技術、物流或拾取放置等動態應用中。

onsemi傳感器的Hyperlux技術能夠將相位圖像快速采樣至內部存儲器，并實現完整讀出，從而在運動過程中減少運動偽影.（圖像來源：onsemi）

六、智能iToF:一項有望引領市場的技術組件

憑借Hyperlux傳感器，onsemi在iToF技術發展中取得了重大里程碑。全球快門、內部存儲器與片上深度處理技術的集成，有效解決了傳統飛行時間系統的核心難題，例如探測距離受限、環境光敏感性及系統級延遲等問題。這使得iToF技術對那些此前依賴其他3D技術的應用場景具有吸引力。然而，僅憑強大的傳感器還不足以打造出樹立行業標桿的相機解決方案。決定性因素在于光學、電子、軟件與系統集成之間的協同互動。

因此，onsemi特別注重與經驗豐富的相機制造商開展緊密合作—例如友思特合作伙伴IDS，該公司在工業3D相機市場深耕多年。由此誕生的uEye 3D相機，生動詮釋了智能iToF技術如何轉化為實用的整體系統。因此，iToF正日益從工業3D圖像處理領域的補充方案，轉變為重要的替代方案—尤其當需要易用性、高集成能力和在多變操作條件下穩定的成像結果時。

友思特uEye Nion系列3D相機

uEye Nion 適用于各種環境的 120 萬像素 3D 攝像頭

卓越的深度感知性能：采用先進的1.2MP Tof 傳感器，即使在動態環境或強烈日光下也能提供高精度、實時的3D深度數據

憑借120萬像素，其空間分辨率達到市場常見VGA ToF相機的四倍，能清晰捕捉精細結構和物體邊緣

無論是精細結構成像還是經濟高效的 3D 數據采集，Nion 都是兼具高細節和可靠深度數據的應用的理想之選

審核編輯 黃宇