ToF wird hochauflösend

Die dreidimensionale Erfassung von Szenen und Objekten ist ein zentraler Baustein moderner industrieller Automatisierung. Verfahren wie die aktive Stereovision basierend auf Musterprojektion haben sich dabei als besonders leistungsfähig erwiesen – insbesondere, wenn es auf höchste Detailgenauigkeit, Auflösung und die Bewältigung komplexer Oberflächenstrukturen ankommt. Durch projektionsgestützte Bildkorrelation erfassen solche Systeme selbst auf schwierigen Oberflächen viele verlässliche Bildpunkte – und ermöglichen so eine präzise Triangulation sowie detailreiche Tiefenkarten. Damit gehören Sie nach wie vor zur technologischen Spitze in der bildbasierten Messtechnik.

Parallel dazu hat die Time-of-Flight-Technologie in den letzten Jahren einen bemerkenswerten Reifeprozess durchlaufen. Während ToF-Kameras früher vor allem für einfache Abstandsmessungen genutzt wurden, waren sie für viele industrielle Anwendungen aufgrund begrenzter Auflösung, Reichweite oder Integrationsfähigkeit nur eingeschränkt geeignet. Begrenzte Reichweiten, geringe Auflösung, starke Anfälligkeit für Umgebungslicht und die Unfähigkeit, die Tiefe von sich bewegenden Objekten korrekt zu erfassen, schränkten den praktischen Einsatz deutlich ein.

iToF Revolution mit integrierter Tiefenverarbeitung

Mit dem Einzug leistungsfähigerer Sensorarchitekturen, wie dem neuen iToF-Sensor AF0130 von onsemi, mit rückseitig belichteten Pixeln (BSI-Technologie), Global Shutter, verbesserter Signalverarbeitung und integrierter Auswerteelektronik hat sich das Bild deutlich gewandelt. Neue iToF-Kameramodelle erlauben mit intelligentem Pixelmanagement daher nicht nur höhere Tiefenauflösung und Reichweiten, sondern bewältigen auch schwierige Lichtverhältnisse deutlich robuster.

Gleichzeitig verschiebt sich die Systemlogik: Statt Rohdaten an einen externen Rechner zu liefern, übernehmen die Sensoren selbst wesentliche Verarbeitungsschritte – etwa die Berechnung von Tiefenbildern, Intensitätswerten und Konfidenzkarten direkt auf dem Chip. Dieser Trend zur hochintegrierten 3D-Verarbeitung am Sensor selbst macht ToF-Kameras heute nicht nur leistungsfähiger, sondern auch deutlich einfacher zu integrieren – ein entscheidender Schritt in Richtung intelligenter, kompakter 3D-Vision-Systeme für den breiten industriellen Einsatz.

Präzision in Auflösung und Tiefe

Die Qualität einer 3D-Messung hängt nicht nur von der Anzahl der erfassten Bildpunkte ab, sondern vor allem von der Genauigkeit der Tiefendaten. Die neue IDS 3D-Kamera nutzt den 1,2-Megapixel-Sensor AF0130 von onsemi und liefert damit eine hohe XY-Auflösung – ideal, um feinere Oberflächendetails in der Fläche abzutasten. Für die eigentliche Tiefenpräzision ist jedoch ein anderer Faktor entscheidend: die Modulationsfrequenz des Lichtsignals, die bei phasenbasierten ToF-Systemen maßgeblich die Genauigkeit und Reichweite bestimmt. Im Vergleich zu marktüblichen Kameras ermöglicht onsemi Frequenzen von bis zu 200 MHz – ein klarer Vorteil. Denn der Messbereich wird damit in kleinere Intervalle unterteilt, was zu besserer Tiefenauflösung führt. Vereinfacht gesagt: Je höher die Frequenz, desto feiner kann die Kamera Unterschiede in der Phasenlage erkennen, und damit kleine Abstandsänderungen genauer messen.

Ein weiterer Vorteil: Bei hohen Frequenzen wird das System weniger anfällig für Störungen durch Umgebungslicht – ein kritischer Faktor für viele industrielle Anwendungen im Freien oder bei stark wechselnden Lichtverhältnissen. Die Möglichkeit, mit Frequenzen bis zu 200 MHz zu modulieren, wie es der onsemi AF0130 erlaubt, schafft damit einen entscheidenden technischen Spielraum. Im Nahbereich kann eine hohe Frequenz für maximale Genauigkeit sorgen. Im Fernbereich hingegen lässt sich die Frequenz gezielt anpassen, um große Reichweiten mit stabiler Tiefenauflösung zu erreichen. Durch diese Skalierbarkeit wird das System flexibler – ein wesentlicher Vorteil gegenüber klassischen ToF-Sensoren mit festgelegter, meist niedriger Modulationsfrequenz.

Hohe Bildqualität bei schwierigen Lichtverhältnissen

Ein weiteres anwendungsrelevantes Merkmal des neuen onsemi-Sensors ist seine hohe Empfindlichkeit im nahinfraroten Bereich bei 940 nm – einem Wellenlängenbereich, der deutlich weniger von Sonnenlicht beeinflusst wird als etwa 850 nm. Die von IDS eingesetzte iToF-Kamera nutzt diese Eigenschaft gezielt aus und arbeitet mit einem auf 940 nm abgestimmten Laser. Das Ergebnis: eine besonders hohe Störlichtunterdrückung und stabile 3D-Messungen selbst unter schwierigen Lichtverhältnissen. Damit eignet sich die Kamera ideal auch für Anwendungen im Freien, wo direkte oder wechselnde Sonneneinstrahlung bisher häufig ein Problem darstellte.

Damit die 3D-Kameras hier auch ihr volles Potenzial ausschöpfen kann, spielt die Optik eine zentrale Rolle. Dabei ist entscheidend, auch ein Objektiv zu verwenden, das speziell für den Wellenlängenbereich der Kamera optimiert wurde. Nur so lässt sich sicherstellen, dass die Lichtausbeute und Bildqualität auch bei schwierigen Lichtverhältnissen – etwa im Außenbereich – konstant hoch bleiben. Dazu sorgt eine asphärische Linse für eine gleichmäßige Schärfe über das gesamte Bildfeld und reduziert optische Verzeichnungen, was die Bildqualität spürbar verbessert und aufwendige Nachkorrekturen erspart. Für vielseitige industrielle Anwendungen im Nah- und Fernbereich muss das Objektiv so ausgelegt sein, dass es eine durchgehende Schärfe von kurzen Distanzen bis in große Entfernungen ermöglicht – ganz ohne Nachfokussieren.

Die Herausforderung – 3D Daten bewegter Objekte

Die Fähigkeit, auch bewegte Szenen zuverlässig zu erfassen, wird heute mehr und mehr zum zentralen Einsatzkriterium für industrielle 3D-Kameras. Genau hier stießen viele herkömmliche Technologien bislang an ihre Grenzen. Besonders bei strukturierten Lichtverfahren oder stereobasierten Systemen kann Bewegung zu Artefakten oder Messfehlern führen – etwa durch Mehrfachbelichtungen, Unschärfen oder eine fehlerhafte Korrelation der Bildpaare. Für viele Anwendungen mit dynamischen Prozessen, schnellen Objekten oder Förderbandgeschwindigkeit bedeutete das bislang: entweder mit Einschränkungen leben oder auf komplexe, teure Speziallösungen zurückgreifen.

3D-Kameras mit integrierter Datenverarbeitung und Global Shutter Fähigkeiten, bieten hier einen grundlegenden Paradigmenwechsel. Da die Tiefeninformation direkt onboard pro Pixel erfasst und in Echtzeit ausgewertet wird, entfallen viele der bewegungskritischen Verarbeitungsschritte nach der Datenübertragung zum PC. Moderne Sensoren wie der AF0130 ermöglichen so die lückenlose 3D-Erfassung auch bei bewegten Objekten, ohne Einbußen bei Genauigkeit oder Reaktionszeit. Davon profitieren insbesondere Anwendungen, wie etwa in der Robotik, Logistik, im Packaging-Bereich oder in der Qualitätssicherung bei laufender Produktion. Ohne notwendige Stopps von Förderbändern oder Robotern können Produktionsprozesse weitaus schneller und effizienter ablaufen und Durchsätze erhöht werden.

Zur Berechnung eines einzigen Tiefenwerts sind in der Regel vier aufeinander abgestimmte Belichtungen mit unterschiedlichen Phasenlagen (typischerweise 0°, 90°, 180° und 270°) notwendig. Aus diesen vier Signalen wird dann die Phasenverschiebung – und damit die Entfernung – berechnet. Dank seiner speziellen Pixelarchitektur und der integrierten On-Chip-Verarbeitung erfasst der AF0130 iToF-Sensor alle vier Phasenbilder in schneller Folge und speichert sie direkt und vollständig im Speicher des Chips – ohne zwischenzeitliches Auslesen. Dadurch wird die Zeit zwischen den Belichtungen deutlich verkürzt und die Bewegungsunschärfe spürbar reduziert. Ein weiterer Vorteil des kontinuierlichen Auslesens: Die Tiefeninformationen können effizient neu sortiert und direkt weiterverarbeitet werden – ohne aufwendige Nachbearbeitung. Das macht die Kamera nicht nur robuster gegenüber Bewegungen, sondern ermöglicht auch höhere Bildraten und entlastet das Host-System. Gerade in dynamischen Anwendungen wie Robotik, Logistik oder Pick-and-Place ist dies ein entscheidender Vorteil.

Smart iToF – ein Technologiebaustein mit Potenzial zum Markttreiber

Mit dem Hyperlux-Sensor hat onsemi einen bedeutenden Entwicklungsschritt im Bereich der iToF-Technologie realisiert. Die Integration von Global Shutter, internem Speicher und On-Chip-Tiefenverarbeitung adressiert zentrale Herausforderungen klassischer ToF-Systeme – etwa begrenzte Reichweite, Umgebungslichtempfindlichkeit und systemseitige Latenzen. Damit wird iToF auch für Anwendungen interessant, die bislang auf andere 3D-Technologien angewiesen waren. Doch ein leistungsfähiger Sensor allein genügt nicht, um daraus eine standardsetzende Kameralösung zu formen. Entscheidend ist das abgestimmte Zusammenspiel mit Optik, Elektronik, Software und Systemintegration.

onsemi setzt daher gezielt auf die enge Zusammenarbeit mit erfahrenen Kameraherstellern – wie IDS, die seit vielen Jahren tief im industriellen 3D-Kameramarkt verwurzelt sind. Die daraus entstandene uEye 3D-Kamera zeigt exemplarisch, wie sich das Potenzial der Smart-iToF-Technologie in ein praxistaugliches Gesamtsystem übersetzen lässt. Damit entwickelt sich iToF zunehmend von einer ergänzenden Lösung zu einer ernstzunehmenden Alternative in der industriellen 3D-Bildverarbeitung – insbesondere dann, wenn einfache Handhabung, hohe Integrationsfähigkeit und stabile Ergebnisse unter variablen Einsatzbedingungen gefordert sind.