El ToF alcanza una alta resolución

El captado tridimensional de escenas y objetos es un elemento fundamental de la automatización industrial moderna. Los procedimientos como la visión estereoscópica activa basada en la proyección de patrones han demostrado ser especialmente eficaces, sobre todo cuando se requiere la máxima precisión en los detalles, la máxima resolución y la capacidad de procesar estructuras superficiales complejas. Mediante la correlación de imágenes basada en proyecciones, estos sistemas capturan muchos puntos de imagen fiables incluso en superficies difíciles, lo que permite una triangulación precisa y mapas de profundidad detallados. De este modo, seguirá estando a la última en tecnología de medición basada en imágenes.

Paralelamente, la tecnología Time-of-Flight ha experimentado un notable proceso de maduración en los últimos años. Mientras que antes las cámaras ToF se utilizaban principalmente para mediciones de distancia sencillas, su idoneidad para muchas aplicaciones industriales era limitada debido a su resolución, rango o capacidad de integración restringidos. El alcance limitado, la baja resolución, la gran sensibilidad a la luz ambiental y la incapacidad para detectar correctamente la profundidad de los objetos en movimiento limitaban considerablemente su uso práctico.

Revolución iToF con procesamiento de profundidad integrado

Con la llegada de arquitecturas de sensores más potentes, como el nuevo sensor iToF AF0130 de onsemi, con píxeles retroiluminados (tecnología BSI), global shutter, procesamiento de señales mejorado y electrónica de evaluación integrada, el escenario ha cambiado significativamente. Los nuevos modelos de cámaras iToF, con su gestión inteligente de píxeles, no solo permiten una mayor resolución de profundidad y alcance, sino que también se adaptan mucho mejor a condiciones de iluminación difíciles.

Al mismo tiempo, la lógica del sistema cambia: En lugar de enviar datos sin procesar a un ordenador externo, los sensores realizan ellos mismos pasos de procesamiento esenciales, como el cálculo de imágenes de profundidad, valores de intensidad y mapas de confianza directamente en el chip. Esta tendencia hacia el procesamiento 3D altamente integrado en el propio sensor hace que las cámaras ToF no solo sean más potentes hoy en día, sino también mucho más fáciles de integrar, lo que supone un paso decisivo hacia sistemas de visión 3D inteligentes y compactos para un amplio uso industrial.

Precisión en resolución y profundidad

La calidad de una medición 3D no solo depende del número de píxeles capturados, sino sobre todo de la precisión de los datos de profundidad. La nueva cámara 3D IDS utiliza el sensor AF0130 de 1,2 megapíxeles de onsemi y ofrece una alta resolución XY, ideal para escanear detalles más finos en la superficie. Sin embargo, para la precisión real en profundidad, hay otro factor decisivo: la frecuencia de modulación de la señal luminosa, que en los sistemas ToF basados en fases determina de manera decisiva la precisión y el alcance. En comparación con las cámaras habituales del mercado, onsemi permite frecuencias de hasta 200 MHz, lo que supone una clara ventaja. De este modo, el rango de medición se divide en intervalos más pequeños, lo que mejora la resolución en profundidad. En otras palabras: Cuanto mayor sea la frecuencia, más precisas serán las diferencias de fase que podrá detectar la cámara, lo que le permitirá medir con mayor exactitud los pequeños cambios de distancia.

Otra ventaja: A altas frecuencias, el sistema es menos susceptible a las interferencias de la luz ambiental, un factor crítico para muchas aplicaciones industriales al aire libre o en condiciones de iluminación muy variables. La posibilidad de modular con frecuencias de hasta 200 MHz, como permite el AF0130 de onsemi, ofrece así un margen técnico decisivo. A corta distancia, una frecuencia alta puede garantizar la máxima precisión. En el rango lejano, por el contrario, la frecuencia se puede ajustar específicamente para lograr grandes alcances con una resolución de profundidad estable. Esta escalabilidad hace que el sistema sea más flexible, lo que supone una ventaja significativa frente a los sensores ToF clásicos con una frecuencia de modulación fija, normalmente baja.

Alta calidad de imagen en condiciones de iluminación difíciles

Otra característica relevante para la aplicación del nuevo sensor de onsemi es su alta sensibilidad en el rango del infrarrojo cercano a 940 nm, un rango de longitud de onda que se ve mucho menos afectado por la luz solar que, por ejemplo, 850 nm. La cámara iToF utilizada por IDS aprovecha esta propiedad de forma específica y funciona con un láser ajustado a 940 nm. El resultado: una supresión de la luz parásita especialmente alta y mediciones 3D estables incluso en condiciones de iluminación difíciles. Esto hace que la cámara sea ideal para aplicaciones en exteriores, donde la luz solar directa o cambiante solía ser un problema.

Para que las cámaras 3D puedan aprovechar todo su potencial, la óptica desempeña un papel fundamental. Para ello, es fundamental utilizar un objetivo que haya sido optimizado específicamente para el rango de longitudes de onda de la cámara. Solo así se puede garantizar que el rendimiento lumínico y la calidad de imagen se mantengan constantemente altos, incluso en condiciones de iluminación difíciles, como en exteriores. Además, una lente asférica garantiza una nitidez uniforme en todo el campo de visión y reduce las distorsiones ópticas, lo que mejora notablemente la calidad de la imagen y evita costosas correcciones posteriores. Para aplicaciones industriales versátiles a corta y larga distancia, el objetivo debe estar diseñado de tal manera que permita una nitidez continua desde distancias cortas hasta grandes distancias, sin necesidad de reenfocar.

El reto: datos 3D de objetos en movimiento

La capacidad de capturar con fiabilidad incluso escenas en movimiento se está convirtiendo cada vez más en un criterio de aplicación fundamental para las cámaras 3D industriales. Es precisamente aquí donde muchas tecnologías convencionales han llegado hasta ahora a sus límites. Especialmente en los procesos de iluminación estructurada o en los sistemas estereoscópicos, el movimiento puede provocar artefactos o errores de medición, por ejemplo, debido a exposiciones múltiples, desenfoques o una correlación errónea de los pares de imágenes. Para muchas aplicaciones con procesos dinámicos, objetos o cintas transportadoras rápidos, esto significaba hasta ahora tener que aceptar limitaciones o recurrir a soluciones especiales complejas y costosas.

Las cámaras 3D con procesamiento de datos integrado y funcion de global shutter ofrecen un cambio de paradigma fundamental en este ámbito. Dado que la información de profundidad se capta directamente a bordo por píxel y se evalúa en tiempo real, se eliminan muchos de los pasos de procesamiento críticos para el movimiento tras la transferencia de datos al PC. Los sensores modernos, como el AF0130, permiten así un captado 3D completo incluso con objetos en movimiento, sin perder precisión ni tiempo de reacción. Esto beneficia especialmente a aplicaciones como la robótica, la logística, el sector del embalaje o el control de calidad en la producción continua. Sin las paradas necesarias de las cintas transportadoras o los robots, los procesos de producción pueden ser mucho más rápidos y eficientes, y se puede aumentar el rendimiento.

Para calcular un único valor de profundidad, normalmente se necesitan cuatro exposiciones coordinadas con diferentes posiciones de fase (normalmente 0°, 90°, 180° y 270°). A partir de estas cuatro señales se calcula el desfase de fase y, con ello, la distancia. Gracias a su arquitectura de píxeles especial y al procesamiento integrado en el chip, el sensor iToF AF0130 captura las cuatro imágenes de fase en rápida sucesión y las almacena directa y completamente en la memoria del chip, sin necesidad de leerlas entre medias. Esto reduce considerablemente el tiempo entre exposiciones y disminuye notablemente el desenfoque por movimiento. Otra ventaja de la captura continua: La información detallada se puede reordenar de manera eficiente y procesar directamente, sin necesidad de realizar un laborioso trabajo posterior. Esto no solo hace que la cámara sea más resistente a los movimientos, sino que también permite una frecuencia de imagen más alta y alivia la carga del sistema host. Esto supone una ventaja decisiva, especialmente en aplicaciones dinámicas como la robótica, la logística o el pick-and-place.

Smart iToF: un componente tecnológico con potencial para impulsar el mercado

Con el sensor Hyperlux, onsemi ha dado un importante paso adelante en el desarrollo de la tecnología iToF. La integración de global shutter, memoria interna y procesamiento de profundidad en chip aborda los retos fundamentales de los sistemas ToF clásicos, como el alcance limitado, la sensibilidad a la luz ambiental y las latencias del sistema. Esto hace que iToF también resulte interesante para aplicaciones que hasta ahora dependían de otras tecnologías 3D. Sin embargo, un sensor potente por sí solo no basta para crear una solución de cámara que marque la pauta. Lo decisivo es la interacción coordinada entre la óptica, la electrónica, el software y la integración del sistema.

Por ello, onsemi apuesta por una estrecha colaboración con fabricantes de cámaras con amplia experiencia, como IDS, que lleva muchos años profundamente arraigada en el mercado de las cámaras 3D industriales. La cámara Nion de la línea de productos uEye 3D resultante es un ejemplo de cómo el potencial de la tecnología inteligente iToF puede traducirse en un sistema completo y práctico. De este modo, iToF está pasando de ser una solución complementaria a convertirse en una alternativa seria en el procesamiento industrial de imágenes 3D, especialmente cuando se requiere un manejo sencillo, una alta capacidad de integración y resultados estables en condiciones de uso variables.