ToF

Трехмерное зрение с 3D ToF-датчиками REAL3 от Infineon

Датчики REAL3 от Infineon используют ToF-технологию для измерения времени пролета ИК-импульсов света и построения трехмерной картины окружающего пространства. Главной особенностью этих сенсоров становится чувствительная матрица, способная не только фиксировать ИК-излучение, но и измерять амплитуду принимаемых сигналов. Благодаря компактным размерам, сенсоры REAL3 могут использоваться не только в промышленных приложениях, но и в компактных коммерческих устройствах, таких как современные смартфоны
4828
В избранное

Построение трехмерной картины окружающего пространства является актуальной задачей для широкого спектра коммерческих, промышленных и автомобильных приложений (рисунок 1). Данная функция будет полезной, например, для оптимальной фокусировки камер смартфонов, для контроля присутствия оператора на промышленном станке, для предотвращения столкновения дронов, для распознавания пассажиров транспортных средств и т.д. Для создания трехмерных систем машинного зрения могут быть использованы различные решения и технологии, например, ультразвуковые датчики, радиолокационные системы, оптические сенсоры.

Построение трехмерной картины окружающего пространства требуется в коммерческих, промышленных, автомобильных и других приложениях

Рис. 1. Построение трехмерной картины окружающего пространства требуется в коммерческих, промышленных, автомобильных и других приложениях

Работа оптических систем предполагает наличие передатчиков и приемников света. В качестве передатчиков обычно используются светодиоды или лазеры, а в качестве приемника фотодиоды, фототранзисторы и фоточувствительные матрицы. Передатчик генерирует световые импульсы, которые, отражаясь от препятствий, возвращаются к устройству, где фиксируются фотоприемником.

Существует две основных технологии построения трехмерной картины окружающего пространства с помощью оптических систем. Традиционная технология подразумевает измерение мощности отраженных световых волн. Чем дальше находится объект, тем сильнее будет рассеяние и поглощение светового пучка, и тем ниже будет мощность принимаемых световых импульсов. Таким образом, один сенсор, состоящий из передатчика и приемник, позволяет измерять расстояние до объектов. Если же одновременно использовать три (и более) датчиков, то можно сформировать трехмерную картину окружающего пространства. Недостаток такого решения заключается в том, что подобные системы зачастую имеют не очень высокую точность из-за чувствительности к внешним засветам и различной поглощающей способности объектов.

Вторая технология предполагает измерение времени пролета импульсов света (ToF, time of flifht). Так как скорость распространения света в воздухе известна, то зная время пролета, можно рассчитать расстояние до объекта. Такая технология имеет целый ряд достоинств и свободна от ограничений, свойственных традиционной схеме измерения. К сожалению, у оптической ToF-технологии есть один важный недостаток, который долгое время сдерживал ее распространение. Речь идет о высокой сложности реализации. Дело в том, что скорость распространения световых импульсов столь высока, что даже небольшие изменения периода следования испускаемых импульсов приводят к существенным погрешностям измерения. Только в последнее время удалось обеспечить достаточную стабильность передатчика. Примером использования ToF-технологии являются оптические датчики REAL3, разработанные совместными усилиями Infineon и pmdtechnologies AG. При этом стоит сразу сказать, что датчики REAL3 используют обе описанные выше технологии (рис. 2).

На рис. 2 представлен пример использования датчика REAL3 в составе 3D-камеры. Основными структурными блоками датчика являются: система управления разверткой, модулятор, светочувствительная матрица и блок АЦП. Модулятор формирует сигналы, которые используются одновременно внешним драйвером и светочувствительной матрицей. Драйвер накачивает светодиод или VCSEL-лазер, которые генерируют импульсы света. Отраженное излучение фиксируется светочувствительной матрицей. Как уже было сказано выше, в датчиках REAL3 используются обе технологии: пикселы матрицы позволяют не только фиксировать факт приема излучения, но и его амплитуду. Таким образом, создается сразу два изображения: по амплитуде (серое изображение на рис. 2) и по глубине (цветное изображение на рис. 2). Полученные изображения в «сыром» виде передаются управляющему процессору по высокоскоростному интерфейсу (MIPI или CSI-2) для дальнейшей обработки.

Схема включения и принцип работы сенсоров REAL3

Рис. 2. Схема включения и принцип работы сенсоров REAL3

Прежде чем двигаться дальше, следует отметить преимущества решения, предлагаемого Infineon и pmd:

  • Надежность и точность измерения глубины. Пользователь получает готовые значения амплитуды и глубины для каждого пиксела без каких либо дополнительных вычислений. Оптимизированная технология матрицы фотоприемников обеспечивает очень высокую чувствительность к ИК-излучению.
  • Возможность работы как при ярком внешнем освещении, так и в полной темноте. Собственный источник света (лазер или светодиод) позволяет работать при любом уровне освещения. Для борьбы с внешними засветами используется патентованная технология SBI (Suppression of Background Illumination). SBI не позволяет фотоприемникам заходить в область насыщения за счет индивидуального изменения динамического диапазона каждого пиксела (диапазон может изменяться в 20 раз).
  • Гибкость и компактные габаритные размеры. Датчик имеет сверхкомпактное однокристальное исполнение и может быть интегрирован в одном модуле, например, с камерой, обходясь общей линзой.
  • Обеспечение минимальной нагрузки на процессор.
  • Простота калибровки. Датчики требуют всего одной калибровки в течение всего срока службы и оказываются устойчивыми к вибрациям и ударам.

Как уже отмечалось выше, датчики REAL3™ были разработаны совместными усилиями Infineon и pmdtechnologies AG. Компания pmd разработала высокочувствительную ToF-матрицу, которая производится на производственных мощностях Infineon с привлечением оптимизированной CMOS-технологии. В настоящий момент на сайте Infineon представлена информация о трех датчиках семейства REAL3, уже находящихся на стадии производства, а также анонсируется появление еще двух датчиков, находящихся в процессе разработки. Между собой сенсоры отличаются корпусным исполнением и размером чувствительной матрицы (рис. 3).

  • IRS1125C – сенсор REAL3 с размером чувствительной матрицы 352 x 288 пикселов (более 100 тысяч пикселов). Поставляется в бескорпусном исполнении. Датчик предназначен для приложений, требующих высокого разрешения.
  • IRS1645C – компактный сенсор REAL3 с размером чувствительной матрицы 224 x 172 пикселов (более 38 тысяч пикселов). Использует длину волны 840 нм. Поставляется в бескорпусном исполнении. Датчик предназначен для приложений с жесткими ограничениями свободного пространства.
  • IRS2381C – компактный сенсор REAL3 для мобильных приложений, использующий длину волны 940 нм. В датчике реализована чувствительная матрица размером 224 x 172 пикселов (более 38 тысяч пикселов). Поставляется в бескорпусном исполнении.
  • IRS2771C – перспективный и находящийся в разработке сенсор REAL3 с максимальным размером чувствительной матрицы 448 x 336 пикселов (более 150 тысяч пикселов). IRS2771C использует длину волны 940 нм и предназначен для коммерческих приложений.
  • IRS1125A – еще одни сенсор REAL3, находящийся в разработке. Это первый датчик семейства REAL3, поставляемый не в виде голого кристалла, а в корпусном исполнении PG-LFBGA-84. Производители предполагают оснащать IRS1125A чувствительной матрицей размером 352 x 288 пикселов (более 100 тысяч пикселов). Датчик предназначен для использования в автомобильных приложениях и будет иметь расширенный диапазон рабочих температур -40…105°C.

Датчики REAL3 в бескорпусном исполнении

Рис. 3. Датчики REAL3 в бескорпусном исполнении

Датчики REAL3 поставляются в бескорпусном исполнении. В разработке также находится сенсор IRS1125A, который будет иметь корпус PG-LFBGA-84

По заявлениям производителей сенсоры REAL3 способны выполнять сканирование с частотой до 100 кадров в секунду. Кроме того, датчики обладают чрезвычайно компактными габаритами, что позволяет интегрировать их в одном корпусе с миниатюрными камерами. Размеры таких модулей оказываются сравнимыми с размерами спичечной головки (рис. 4).

Датчики REAL3 могут быть интегрированы в одном корпусе с миниатюрными камерами

Рис. 4. Датчики REAL3 могут быть интегрированы в одном корпусе с миниатюрными камерами

Стоит отметить, что в настоящий момент сенсоры REAL3 уже используются в реальных приложениях. Например, на сайте pmdtechnologies AG предлагается сразу две референсных камеры: Flex и Monstar.

Flex – 3D-камера с датчиком REAL3 с чувствительной матрицей на 38 тысяч пикселов (рис. 5). Габариты камеры составляют 68 x 17 x 7,25 мм, а вес всего 8 грамм! Камера имеет радиус действия от 0,1 до 4 метров, направленность 62° x 45° (горизонт/ вертикаль) и способна формировать видеопоток с частотой 5/ 10/ 25/ 35/ 45 кадров в секунду. В качестве источника света используется VCSEL-лазер с длиной волны 850 нм. Потребление камеры с учетом излучателя составляет 340 мВт. Питание и взаимодействие с Flex осуществляется с помощью USB2.0/ USB3.0.

Monstar – 3D-камера с датчиком REAL3 с размером чувствительной матрицы 352 x 287 пикселов. Камера имеет радиус действия 0,5…5 м и широкие углы обзора 100° x 85°. Габариты камеры составляют 62 x 66 x 29 мм, а вес 142 г. Monstar обеспечивает частоту до 60 кадров в секунду. Питание и взаимодействие с Monstar осуществляется с помощью USB3.0.

Внешний вид камер Flex и Monstar от pmd

Рис. 5. Внешний вид камер Flex и Monstar от pmd

Датчики REAL3 также «приняты на вооружение» производителями смартфонов. В качестве примера можно привести смартфон G8 ThinQ от LG (рис. 6).

Смартфон G8 ThinQ от LG имеет на борту 3D ToF-датчик REAL3

Рис. 6. Смартфон G8 ThinQ от LG имеет на борту 3D ToF-датчик REAL3

В заключение статьи хочется сказать о перспективах использования 3D ToF-датчиков REAL3. По замыслу компании Infineon основными областями применения для REAL3 станут коммерческая электроника, автомобильные приложения, промышленное оборудование и робототехника (рис. 7).

Перспективные области применения для 3D ToF-датчиков REAL3

Рис. 7. Перспективные области применения для 3D ToF-датчиков REAL3

Основными перспективными областями применения для 3D ToF-датчиков REAL3 станут коммерческая электроника, автомобильные приложения и робототехника

Среди коммерческих приложений для REAL3 можно отметить: смартфоны и мобильные телефоны, устройства виртуальной реальности, дроны, камеры систем безопасности и т.д.

REAL3 будут востребованы и в автомобильных приложениях, например, в системах обнаружения пассажиров (с возможностью отслеживания положения тела и возможностью классификации пассажиров по принципу взрослый/ ребенок), в мультимедийных системах с распознаванием жестов и т.д.

В промышленности REAL3 найдут свое применение в таких приложениях, как автоматизация производства, системы машинного зрения для роботов, автопилоты для автомобилей, системы распознавания присутствия и т.д.

Характеристики 3D-датчика IRS1125A (датчик находится в разработке):

  • Тип: трехмерный ToF-датчик;
  • Разрешение: 352 x 288 пикселов (более 100 тысяч пикселов);
  • Шаг пикселов: 14 мкм;
  • Рабочая длина волны: 940 нм;
  • Диапазон рабочих температур: -40…105°C
  • Корпус: PG-LFBGA-84.
Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IRS1125A
IRS1125A
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2718871 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Трехмерный ToF-датчик, в корпусном исполнении PG-LFBGA-84. Находится в разработке.
IRS1125A
-
Поиск
предложений
IRS1125C
IRS1125C
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3476790 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Single-chip ToF sensor with micro-lenses; full resolution, 352 x 288 pixel (100 k pixel)
IRS1125C
-
Поиск
предложений
IRS1645C
IRS1645C
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3476791 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Single-chip ToF sensor with micro-lenses; size optimized ASIC, 224 x 172 pixel (38 k pixel)
IRS1645C
-
Поиск
предложений
IRS2381C
IRS2381C
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3476792 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Компактный сенсор REAL3 для мобильных приложений, использующий длину волны 940 нм
IRS2381C
-
Поиск
предложений
IRS2771C
IRS2771C
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3476793 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Сенсор REAL3 с максимальным размером чувствительной матрицы 448 x 336 пикс. Находится в разработке
IRS2771C
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()