고해상도 ToF

장면과 물체의 3차원 캡처는 현대 산업 자동화의 핵심 구성 요소입니다. 패턴 투영을 기반으로 한 액티브 스테레오비전 과 같은 방법은 특히 최대 세부 사항, 해상도 및 복잡한 표면 구조 처리가 요구될 때 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 이러한 시스템은 투영 기반 이미지 상관관계를 사용하여 까다로운 표면에서도 신뢰할 수 있는 이미지 포인트를 포착하여 정확한 삼각 측량과 세부적인 깊이 맵을 구현합니다. 이는 이미지 기반 측정 기술의 최첨단을 유지하고 있는 것을 의미합니다.

동시에 ToF(Time-of-Flight) 기술은 최근 몇 년 동안 괄목할 만한 발전을 이루었습니다. ToF 카메라는 이전에 간단한 거리 측정에 주로 사용되었지만 해상도, 범위 또는 통합 기능이 제한되어 많은 산업용 애플리케이션에 제한적으로만 적합했습니다. 움직이는 물체의 깊이를 정확하게 감지하지 못하거나, 제한된 거리, 낮은 해상도, 주변 조명에 대한 높은 감도 등으로 인해 실제 사용은 크게 제한되었습니다.

통합 깊이 처리 기능을 갖춘 보급형 3D 카메라

뒷조명 픽셀(BSI 기술), 글로벌 셔터, 향상된 신호 처리 및 통합 평가 전자 장치를 갖춘 onsemi의 새로운 AF0130 iToF 센서와 같은 더 강력한 센서 아키텍처의 등장으로 상황이 크게 달라졌습니다. 새로운 iToF 카메라 모델은 지능형 픽셀 관리 기능을 통해 더 높은 깊이 해상도와 측정 범위를 제공할 뿐만 아니라, 까다로운 조명 조건에서도 훨씬 더 강력합니다.

동시에 시스템 로직도 변화하고 있습니다: 원시 데이터를 외부 컴퓨터에 전송하는 대신, 센서 자체가 깊이 이미지, 강도 값 및 신뢰도 맵 계산과 같은 필수 처리 단계를 칩에서 직접 수행합니다. 센서 자체에서 고도로 통합된 3D 처리 기술이 확산되는 이 추세는 오늘날 ToF 카메라의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 통합을 훨씬 용이하게 만들며, 이는 산업용으로 활용 가능한 지능형 소형 3D 비전 시스템 구현을 위한 결정적인 단계입니다.

해상도 및 깊이의 정밀도

3D 측정의 품질은 포착된 픽셀 수뿐만 아니라 무엇보다도 깊이 데이터의 정확성에 달려 있습니다. 새로운 IDS 3D 카메라는 onsemi의 1.2 MP AF0130 센서를 활용하여 높은 XY 해상도를 제공하며, 이는 영역 전체에 걸쳐 더 미세한 표면 디테일을 스캔하는 데 이상적입니다. 그러나 실제 깊이 정밀도에 있어 또 다른 요소가 매우 중요합니다: 바로 광 신호의 변조 주파수입니다. 이는 위상 기반 ToF 시스템의 정확도와 측정 범위를 크게 좌우합니다. 시중의 표준 카메라와 비교했을 때, onsemi는 최대 200MHz의 주파수를 활성화하여 확실한 이점을 제공합니다. 측정 범위가 더 작은 간격으로 나뉘어져 더 나은 깊이있는 해상도를 제공하기 때문입니다. 즉, 주파수가 높을수록 카메라가 위상 위치의 차이를 더 정밀하게 감지하여 거리의 작은 변화도 더욱 정확하게 측정할 수 있습니다.

또 다른 장점은 높은 주파수에서 시스템이 주변 조명의 간섭을 덜 받게 되는데, 이는 실외 또는 급변하는 조명 조건에서 운영되는 많은 산업용 애플리케이션에 있어 중요한 요소입니다. onsemi AF0130을 통해 최대 200MHz의 주파수 변조가 가능해짐에 따라 상당한 기술적 활용 가능성이 제공됩니다. 근거리에서는 높은 주파수가 최대 정확도를 보장할 수 있습니다. 반면 장거리 영역에서는 주파수를 구체적으로 조정하여 안정적인 심도 해상도를 유지한 채 장거리를 측정할 수 있습니다. 이러한 확장성은 시스템의 유연성을 높여 주며, 일반적으로 낮은 변조 주파수를 사용하는 기존 ToF 센서에 비해 상당한 이점을 제공합니다.

열악한 조명 조건에서도 뛰어난 이미지 품질 제공

이 새로운 onsemi센서의 또 다른 애플리케이션 관련 특징은 940nm 근적외선 영역에서의 높은 감도입니다. 예를 들어, 이 파장대는 850nm에 비해 햇빛의 영향을 훨씬 덜 받습니다. IDS iToF 카메라는 이러한 특성을 특별히 활용하여 940nm에 맞춰 조정된 레이저를 사용합니다. 그 결과, 열악한 조명 조건에서도 간섭광 억제 효과가 매우 뛰어나고 안정적인 3D 측정이 가능합니다. 따라서 이 카메라는 과거에 직사광선이나 변화하는 햇빛이 종종 문제가 되었던 야외 환경에 이상적입니다.

광학은 3D 카메라가 최대 성능을 발휘할 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 합니다. 카메라의 파장 범위에 특별히 최적화된 렌즈를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 이는 야외와 같은 까다로운 조명 조건에서도 광출력과 이미지 품질이 지속적으로 높은 수준을 유지하도록 보장하는 유일한 방법입니다. 또한 비구면 렌즈는 전체 이미지 필드에서 균일한 선명도를 보장하고 광학적 왜곡을 줄여 이미지 품질을 눈에 띄게 향상시키고, 시간이 많이 소요되는 후보정의 필요성을 없애줍니다. 다양한 산업용 응용 분야에서 근거리 및 원거리 촬영 시, 렌즈는 초점 재설정 없이도 근거리부터 원거리까지 일관된 선명도를 제공하도록 설계되어야 합니다.

과제 – 움직이는 물체의 3D 데이터

움직이는 장면도 안정적으로 포착할 수 있는 능력이 산업용 3D 카메라 사용의 핵심 기준으로 점점 더 부상하고 있습니다. 지금까지 많은 기존 기술이 이 부분에서 한계에 부딪혀 왔습니다. 특히 구조광 방식이나 스테레오 기반 시스템에서 움직임은 다중 노출, 블러 또는 이미지 쌍의 잘못된 상관 관계로 인해 아티팩트나 측정 오류를 초래할 수 있습니다. 동적 프로세스, 빠르게 움직이는 물체 또는 컨베이어 벨트 속도 등 관련된 많은 애플리케이션에서 이는 한계를 감수하거나 복잡하고 값비싼 특수 솔루션에 의존해야 한다는 것을 의미합니다.

통합 데이터 처리 및 글로벌 셔터 기능이 통합된 3D 카메라는 이 분야에서 근본적인 패러다임의 전환을 제공합니다. 깊이 정보가 픽셀 단위로 카메라에 직접 캡처되어 실시간으로 분석되므로, PC로 데이터를 전송한 후 발생하는 동작에 민감한 여러 처리 단계가 더 이상 필요하지 않습니다. AF0130과 같은 최신 센서는 정확도나 응답 시간을 저하시키지 않으면서도 움직이는 물체에 대해 원활한 3D 감지를 가능하게 합니다. 이는 특히 로봇 공학, 물류, 포장 및 지속적인 생산 과정에서의 품질 보증과 같은 애플리케이션에 유용합니다. 컨베이어 벨트나 로봇을 멈출 필요 없이 생산 공정을 훨씬 더 빠르고 효율적으로 운영할 수 있으며, 처리량을 증가시킬 수 있습니다.

단일 깊이 값을 계산하려면 일반적으로 서로 다른 위상 위치(일반적으로 0°, 90°, 180°, 270°)를 가진 네 개의 조정된 노출이 필요합니다. 이 네 가지 신호를 이용해 위상차를 계산하고, 이를 통해 거리를 구합니다. 특수한 픽셀 아키텍처와 통합된 온칩 프로세싱 덕분에 AF0130 iToF 센서는 네 가지 위상 이미지를 모두 빠르게 연속 촬영하여 중간 판독 없이 칩 메모리에 직접 완벽하게 저장합니다. 이는 노출 사이의 시간을 상당히 단축시켜 모션 블러 현상을 눈에 띄게 줄입니다. 연속 판독의 또 다른 장점은 시간이 많이 소요되는 후처리 없이 깊이 정보를 효율적으로 재정렬하고 직접 처리할 수 있다는 것입니다. 이로써 움직임에 대한 내구성을 높일 뿐만 아니라 더 높은 프레임률을 활성화하고 호스트 시스템의 부하를 줄여줍니다. 이는 로봇 공학, 물류 또는 픽 앤 플레이스(pick-and-place)와 같은 동적 응용 분야에서 특히 결정적인 이점입니다.

스마트 iToF – 시장을 주도할 잠재력을 가진 기술

onsemi는 Hyperlux 센서를 통해 iToF 기술 개발에서의 중요한 이정표를 달성했습니다. 글로벌 셔터, 내부 메모리, 온칩 깊이 처리를 통합함으로써 기존 ToF 시스템의 주요 과제인 제한된 범위, 주변광 감도, 시스템 측 지연 시간 등을 해결할 수 있습니다. 이러한 특징으로 인해 iToF는 이전에 다양한 3D 기술에 의존했던 애플리케이션에 매력적인 솔루션이 되었습니다. 하지만 강력한 센서만으로는 표준 카메라 솔루션을 구축하기에 충분하지 않습니다. 결정적인 요소는 광학, 전자 장치, 소프트웨어 및 시스템 통합 간의 긴밀한 상호 작용입니다.

따라서 onsemi는 산업용 3D 카메라 시장에서 오랜 시간 자리매김해 온 IDS와 같은 숙련된 카메라 제조업체와의 긴밀한 협력에 특히 중점을 두고 있습니다. 그 결과 탄생한 uEye 3D 카메라는 스마트 iToF 기술의 잠재력이 어떻게 실용적인 전체 시스템으로 구현될 수 있는지를 보여주는 좋은 예입니다. 결과적으로 iToF는 산업용 3D 이미지 프로세싱 분야에서 단순한 보조 솔루션에서 중요한 대안으로 점차 진화하고 있습니다. 이는 특히 사용 편의성, 높은 통합 성능, 그리고 다양한 작동 조건에서도 안정적인 결과가 요구되는 분야에서 더욱 그렇습니다.