La technologie ToF devient haute résolution

La capture tridimensionnelle de scènes et d’objets constitue un élément clé de l’automatisation industrielle moderne. Les procédés tels que la stéréovision active basée sur la projection de motifs se sont révélés particulièrement performants, notamment lorsqu'il s'agit d'obtenir une précision maximale, une résolution élevée et de gérer des structures de surface complexes. Grâce à la corrélation d’images assistée par projection, ces systèmes capturent un grand nombre de points fiables même sur des surfaces difficiles – permettant ainsi une triangulation précise et des cartes de profondeur détaillées. Vous restez ainsi à la pointe de la technologie dans le domaine de la métrologie basée sur l'imagerie.

Parallèlement, la technologie Time-of-Flight a connu un processus de maturation remarquable au cours des dernières années. Alors que les caméras ToF étaient auparavant principalement utilisées pour des mesures de distance simples, leur résolution, leur portée ou leur capacité d'intégration limitées les rendaient peu adaptées à de nombreuses applications industrielles. Une portée limitée, une faible résolution, une forte sensibilité à la lumière ambiante et l'incapacité à détecter correctement la profondeur des objets en mouvement ont considérablement restreint leur utilisation pratique.

Révolution iToF avec traitement de profondeur intégré

Avec l'arrivée d'architectures de capteurs plus performantes, tel que le nouveau capteur iToF AF0130 d'onsemi, doté de pixels rétroéclairés (technologie BSI), d'un obturateur global (global shutter), d'un traitement du signal amélioré et d'une électronique d'évaluation intégrée, la situation a considérablement évolué. Grâce à une gestion intelligente des pixels, les nouveaux modèles de caméras iToF offrent non seulement une résolution en profondeur et une portée accrues, mais ils sont également beaucoup plus résistants dans des conditions d'éclairage difficiles.

Dans le même temps, la logique du système évolue : Au lieu de transmettre les données brutes à un ordinateur externe, les capteurs effectuent eux-mêmes les étapes de traitement essentielles, telles que le calcul des images en profondeur, des valeurs d'intensité et des cartes de confiance directement sur la puce. Cette tendance vers un traitement 3D hautement intégré au niveau du capteur rend aujourd'hui les caméras ToF non seulement plus performantes, mais aussi beaucoup plus faciles à intégrer, ce qui constitue une avancée décisive vers des systèmes de vision 3D intelligents et compacts destinés à une large utilisation industrielle.

Précision en termes de résolution et de profondeur

La qualité d'une mesure 3D ne dépend pas seulement du nombre de pixels enregistrés, mais surtout de la précision des données de profondeur. La nouvelle caméra 3D IDS utilise le capteur AF0130 de 1,2 mégapixel d'onsemi, offrant une haute résolution XY, idéale pour scanner les détails les plus fins sur une grande surface. Cependant, un autre facteur est déterminant pour la précision réelle de la profondeur : la fréquence de modulation du signal lumineux, qui détermine de manière significative la précision et la portée des systèmes ToF indirects. En comparaison avec les caméras disponibles sur le marché, onsemi permet d'atteindre des fréquences allant jusqu'à 200 MHz, ce qui constitue un avantage certain. En effet, la plage de mesure est ainsi divisée en intervalles plus petits, ce qui améliore la résolution en profondeur. En termes simples : Plus la fréquence est élevée, plus la caméra peut détecter des différences minuscules et donc mesurer avec plus de précision les petits changements de distance.

Autre avantage : À des fréquences élevées, le système devient moins sensible aux perturbations causées par la lumière ambiante – un facteur critique pour de nombreuses applications industrielles en extérieur ou dans des conditions d’éclairage très variables. La possibilité de moduler à des fréquences allant jusqu'à 200 MHz, comme le permet l'AF0130 d'onsemi, offre ainsi une marge de manœuvre technique décisive. À courte distance, une fréquence élevée garantit une précision maximale. À longue distance, en revanche, la fréquence peut être ajustée de manière ciblée afin d’obtenir une grande portée tout en conservant une résolution de profondeur stable. Cette évolutivité rend le système plus flexible, constituant un avantage considérable par rapport aux capteurs ToF classiques avec une fréquence de modulation fixe, généralement faible.

Excellente qualité d'image dans des conditions d'éclairage difficiles

Un autre atout essentiel du nouveau capteur onsemi est sa sensibilité élevée dans le proche infrarouge à 940 nm – une longueur d’onde beaucoup moins influencée par la lumière solaire que, par exemple, 850 nm. La caméra iToF utilisée par IDS exploite spécifiquement cette caractéristique et fonctionne avec un laser réglé sur 940 nm. Résultat : une suppression particulièrement efficace des interférences lumineuses et des mesures 3D stables, même dans des conditions d’éclairage difficiles. La caméra est donc également idéale pour les applications en extérieur, où l'ensoleillement direct ou variable posait souvent problème jusqu'à présent.

Afin que les caméras 3D puissent exploiter pleinement leur potentiel, l'optique joue un rôle central. Il est essentiel d'utiliser un objectif spécialement optimisé pour la gamme de longueurs d'onde de la caméra. C'est le seul moyen de garantir un rendement lumineux et une qualité d'image élevés et constants, même dans des conditions d'éclairage difficiles, par exemple en extérieur. De plus, une lentille asphérique assure une netteté uniforme sur l'ensemble du champ de l'image et réduit les distorsions optiques, ce qui améliore sensiblement la qualité de l'image et évite les corrections fastidieuses. Pour des applications industrielles polyvalentes à courte et longue distance, l'objectif doit être conçu de manière à permettre une netteté constante, des distances courtes aux distances longues, sans avoir à refaire la mise au point.

Le défi : données 3D d'objets en mouvement

La capacité à capturer de manière fiable des scènes en mouvement devient aujourd'hui un critère d'utilisation de plus en plus important pour les caméras 3D industrielles. C'est précisément là que de nombreuses technologies traditionnelles ont jusqu'à présent atteint leurs limites. En particulier dans le cas des procédés d'éclairage structurés ou des systèmes stéréoscopiques, le mouvement peut entraîner des artefacts ou des erreurs de mesure, par exemple en raison d'expositions multiples, de flous ou d'une corrélation incorrecte des paires d'images. Pour de nombreuses applications impliquant des processus dynamiques, des objets ou convoyeurs rapides, cela signifiait jusqu’à présent : soit accepter des limitations, soit recourir à des solutions spécialisées complexes et coûteuses.

Les caméras 3D avec traitement des données intégré et fonctionnalités Global Shutter offrent ici un changement de paradigme fondamental. Comme l’information de profondeur est directement captée à bord, pixel par pixel, et analysée en temps réel, de nombreuses étapes de traitement critiques liées au mouvement après le transfert des données vers le PC deviennent inutiles. Les capteurs modernes tels que l'AF0130 permettent ainsi une détection 3D complète, même pour les objets en mouvement, sans perte de précision ni de temps de réaction. Cela profite particulièrement à des applications telles que la robotique, la logistique, le secteur de l’emballage ou le contrôle qualité en cours de production. Sans les arrêts nécessaires des convoyeurs ou des robots, les processus de production peuvent se dérouler beaucoup plus rapidement et efficacement, et les rendements peuvent être augmentés.

Pour calculer une seule valeur de profondeur, il est généralement nécessaire de réaliser quatre expositions coordonnées avec des phases différentes (généralement 0°, 90°, 180° et 270°). À partir de ces quatre signaux, on calcule ensuite le déphasage, et donc la distance. Grâce à son architecture de pixels spécifique et à son traitement intégré, le capteur iToF AF0130 capture les quatre images de phase en succession rapide et les stocke directement et intégralement dans la mémoire de la puce – sans lecture intermédiaire. Cela réduit considérablement le temps entre les expositions et diminue sensiblement le flou de mouvement. Un autre avantage de la lecture continue : Les informations détaillées peuvent être réorganisées efficacement et traitées directement, sans nécessiter de post-traitement complexe. Cela rend non seulement la caméra plus résistante aux mouvements, mais permet également des fréquences d'images plus élevées et soulage le système hôte. C'est un avantage décisif, en particulier dans les applications dynamiques telles que la robotique, la logistique ou le pick-and-place.

Smart iToF – un composant technologique susceptible de devenir un moteur du marché

Avec le capteur Hyperlux, onSemi a franchi une étape importante dans le développement de la technologie iToF. L'intégration d'un obturateur global (global shutter), d'une mémoire interne et d'un traitement de profondeur sur puce répond aux principaux défis des systèmes ToF classiques, tels que la portée limitée, la sensibilité à la lumière ambiante et les latences du système. L'iToF devient ainsi également intéressant pour des applications qui dépendaient jusqu'à présent d'autres technologies 3D. Mais un capteur performant à lui seul ne suffit pas pour en faire une solution caméra de référence. Une interaction harmonieuse entre l'optique, l'électronique, le logiciel et l'intégration du système est essentielle.

C'est pourquoi onsemi mise sur une collaboration étroite avec des fabricants de caméras expérimentés – comme IDS, solidement implanté depuis de nombreuses années sur le marché industriel des caméras 3D. La caméra 3D uEye qui en résulte illustre parfaitement comment le potentiel de la technologie iToF intelligente peut être transformé en un système complet et pratique. Ainsi, la technologie iToF évolue progressivement d’une solution complémentaire vers une véritable alternative dans le traitement d’images 3D industriel – en particulier lorsque la simplicité d’utilisation, la forte intégrabilité et la stabilité des résultats sous des conditions variables sont requises.