ToFが高解像度に進化

シーンや物体の3次元計測は、現代の産業オートメーションにおける中心的な要素です。パターン投影に基づくアクティブステレオビジョンなどの手法は、特に高い詳細度、解像度、複雑な表面構造の処理が求められる場合に非常に効果的であることが実証されています。投影ベースの画像相関を用いることで、こうしたシステムは難しい表面でも多数の信頼性の高い画像点を取得し、精密な三角測量と詳細な深度マップを可能にします。これにより、画像ベースの測定技術の最先端に立ち続けることができます。

同時に、ToF技術は近年、著しい成熟を遂げています。従来のToFカメラは主に簡易な距離測定に使用されていましたが、解像度、測定範囲、組み込み性能の制限により、多くの産業用途には十分に適していませんでした。測定範囲の制限、低解像度、周囲光への高感度、動く物体の深度を正確に検出できないことなどが、実用性を大きく制限していました。

深度処理を内蔵した3Dエントリーモデルカメラ

onsemi製の新しいAF0130 iToFセンサーの登場により、BSI技術による裏面照射型ピクセル、グローバルシャッター、信号処理の向上、評価回路の統合など、センサーアーキテクチャが進化し、状況は大きく変化しました。インテリジェントなピクセル管理を備えた新しいiToFカメラモデルは、高い深度解像度と測定範囲を実現するだけでなく、困難な照明条件にもより強く対応できます。

同時に、システムのロジックも変化しています。生データを外部コンピュータに送るのではなく、センサー自体が深度画像、輝度値、信頼度マップなどの主要な処理をチップ上で直接実行します。センサー内での高度に統合された3D処理への移行は、ToFカメラをより高性能にするだけでなく、組み込みも大幅に容易にします。これは、幅広い産業用途に向けたインテリジェントでコンパクトな3Dビジョンシステムへの重要な一歩です。

解像度と深度の精度

3D測定の品質は、取得されたピクセル数だけでなく、何よりも深度データの精度に依存します。新しいIDS 3Dカメラは、onsemi製の1.2メガピクセルAF0130センサーを採用し、高いXY解像度を実現。広範囲の微細な表面構造のスキャンに最適です。しかし、実際の深度精度において重要なのは、光信号の変調周波数です。これは、位相ベースのToFシステムの精度と測定範囲を大きく左右します。市場の標準的なカメラと比較して、onsemiは最大200MHzの周波数に対応しており、これは明確な利点です。測定範囲がより細かく分割されるため、深度分解能が向上します。簡単に言えば、周波数が高いほど、カメラは位相位置の違いをより細かく検出でき、距離の微小な変化をより正確に測定できます。

さらなる利点として、高周波では周囲光の干渉を受けにくくなり、屋外や急変する照明環境での産業用途において重要な要素となります。onsemi AF0130によって最大200MHzで変調可能となることは、技術的に大きな可能性をもたらします。近距離では、高周波により最大限の精度が確保されます。一方、長距離では周波数を調整することで、安定した深度分解能を保ちながら長距離測定が可能になります。このスケーラビリティにより、システムはより柔軟になり、固定かつ低周波数の従来型ToFセンサーに対して大きな利点となります。

困難な照明条件下でも高画質を実現

新しいonsemiセンサーのもうひとつの応用面での特長は、940nmの近赤外域での高感度です。これは、例えば850nmよりも太陽光の影響を受けにくい波長帯です。IDSのiToFカメラはこの特性を活かし、940nmに調整されたレーザーを使用しています。その結果、非常に高い外光干渉抑制と、困難な照明条件下でも安定した3D測定が可能になります。これにより、直射日光や変化する光環境が問題となっていた屋外用途に最適です。

このような環境で3Dカメラが最大限の性能を発揮するには、光学系が重要な役割を果たします。カメラの波長帯に最適化されたレンズを使用することが極めて重要です。これにより、屋外などの困難な照明条件でも、光出力と画質を常に高く保つことができます。さらに、非球面レンズは画像全体に均一なシャープさを提供し、光学的歪みを軽減することで、画質を向上させ、時間のかかる補正作業を不要にします。近距離から長距離まで対応する多用途な産業用途では、再フォーカスなしで一貫したシャープさを提供できるレンズ設計が求められます。

課題：移動物体の3Dデータ取得

動いているシーンを確実に捉える能力は、産業用3Dカメラの使用においてますます重要な要件となっています。まさにこの点で、従来の多くの技術は限界に達していました。特に構造化光方式やステレオベースのシステムでは、動きによってアーティファクトや測定誤差が生じる可能性があります。たとえば、多重露光、ブレ、画像ペアの誤った相関などが挙げられます。動的なプロセス、高速移動する物体、コンベアベルトの速度が関係する多くの用途では、限界を受け入れるか、複雑で高価な専用ソリューションに頼るしかありませんでした。

データ処理機能を内蔵し、グローバルシャッターを備えた3Dカメラは、この分野において根本的なパラダイムシフトをもたらします。深度情報がピクセル単位でカメラ内で直接取得・リアルタイム評価されるため、PCへのデータ転送後に必要な動作処理の重要なステップの多くが不要になります。AF0130のような最新センサーは、精度や応答速度を損なうことなく、移動物体でもシームレスな3D検出を可能にします。これは、ロボティクス、物流、包装、および生産中の品質保証などの用途に特に役立ちます。コンベアベルトやロボットを停止することなく、生産プロセスをより高速かつ効率的に進めることができ、生産量向上させることが可能です。

単一の深度値を計算するには、異なる位相位置（通常は0°、90°、180°、270°）での4回の協調露光が必要となります。これら4つの信号を用いて位相差を計算し、距離を算出します。AF0130 iToFセンサーは、特殊なピクセル構造とチップ内処理により、4つの位相画像を高速連続で取得し、途中の読み出しなしでチップ内メモリに完全に保存します。これにより露光間隔が大幅に短縮され、モーションブラーが著しく軽減されます。連続読み出しのもうひとつの利点は、深度情報を効率的に並べ替え、時間のかかる後処理なしで直接処理できることです。これにより、カメラは動きに対してより強くなり、フレームレートの向上とホストシステムの負荷軽減が可能になります。これは、ロボティクス、物流、ピック＆プレースなどの動的な用途において、決定的な利点です。

Smart iToF – 市場を牽引する可能性を秘めた技術コンポーネント

Hyperluxセンサーにより、onsemiはiToF技術の開発において重要なマイルストーンを達成しました。グローバルシャッター、内部メモリ、オンチップ深度処理の統合により、従来のToFシステムが抱えていた測定範囲の制限、周囲光への感度、システム側の遅延といった主要な課題に対応しています。これにより、従来は別の3D技術に依存していたアプリケーションにも、iToFが魅力的な選択肢となります。しかし、優れたセンサーだけでは、業界標準となるカメラソリューションを構築するには不十分です。決定的な要素は、光学、電子回路、ソフトウェア、システム統合の連携です。

そのためonsemiは、IDSのように産業用3Dカメラ市場に長年深く関わってきた経験豊富なカメラメーカーとの緊密な協力に注力しています。その成果であるuEye 3Dカメラは、Smart iToF技術の可能性がいかに実用的な統合システムへと具現化されるかを示す好例です。結果として、iToFは補完的な技術から、産業用3D画像処理における本格的な代替技術へと進化しつつあります。特に、使いやすさ、高い統合性、変動する運用条件下での安定した結果が求められる場面でその価値が高まっています。