ADTF3175 – Modul Time-of-Flight de un megapixel

ADTF3175 este primul modul iToF (indirect Time-of-Flight) de înaltă rezoluție, de calitate industrială, pentru sistemele de detecție a profunzimii și viziune 3D. Modulul oferă un sistem la cheie, scalabil, care asigură o precizie ridicată și robustețe în condiții de mediu variabile. În plus, modulul elimină povara proiectării sistemelor optice și electromecanice și oferă proiectanților un sistem de măsurare a profunzimii complet proiectat și calibrat, permițându-le acestora să se concentreze asupra lansării pe piață a unor noi sisteme de detecție și viziune 3D.

Tehnologia Time-of-Flight este dificil de implementat de către clienții obișnuiți. Aceasta necesită capabilități de proiectare optică, mecanică și electrică de mare viteză, combinate cu o expertiză sofisticată în domeniul ingineriei de sistem și o gamă largă de lanțuri de aprovizionare în ceea ce privește tehnologia chip-on-board, optica etc. Rezultatul unei astfel de complexități a limitat accesul la această tehnologie revoluționară. Camerele actuale de înaltă calitate pentru detecția profunzimii, care sunt proiectate la comandă, tind să fie costisitoare. Scopul ADTF3175 este de a asigura accesul unui număr cât mai mare de utilizatori la camere de înaltă performanță (ToF), aducând în același timp experiența și cunoștințele Analog Devices pe piața industrială în ceea ce privește provocările tehnice, calitatea și durata de viață a produselor.

Bazat pe modelul ADSD3100, un dispozitiv CMOS de formare a imaginilor iToF (indirect Time-of-Flight) de 1 megapixel, ADTF3175 integrează, de asemenea, o sursă de iluminare în infraroșu cu optică, laser și driver laser și o cale de recepție cu o lentilă și un filtru optic trece-bandă. Modulul include, de asemenea, o memorie flash pentru calibrare și stocare de firmware și regulatoare de putere pentru a genera tensiuni de alimentare locale.

ADTF3175 măsoară 42 mm × 31 mm × 15,1 mm și este proiectat pentru o gamă de temperaturi de operare cuprinsă între 20°C și 65°C. ADTF3175 oferă o precizie de top în industrie, de ±3mm pe o gamă de adâncime de 0,4m – 4m (reflectivitate de 15%), cu o abatere standard maximă a zgomotului de adâncime de 15mm, presupunând mai puțin de 5 klux de lumină solară echivalentă. ADTF3175 transmite datele brute către gazdă prin intermediul unei interfețe MIPI (Mobile Industry Processor Interface) cu 4 benzi – Camera Serial Interface 2 (CSI-2). Programarea și operarea modulului sunt controlate prin intermediul interfețelor seriale SPI cu 4 fire sau I²C.

Modulul este livrat precalibrat cu 4 moduri de operare (rază scurtă și lungă de acțiune, rezoluție de 512 × 512 (cu binning) și rezoluție nativă de 1024 × 1024). Toate datele de calibrare necesare sunt stocate în memoria flash a sistemului și pot fi accesate de către motorul de procesare a profunzimii. Modulul este, de asemenea, compensat cu temperatura și vine programat cu modelul de corecție necesar. Parametrii intrinseci ai camerei și parametrii de distorsiune sunt, de asemenea, disponibili din memoria flash pentru aplicațiile de procesare în adâncime și de fuziune. Utilizatorii pot comuta între aceste moduri în funcție de adâncime cadru cu cadru și pot activa capacități complementare la nivel de algoritm/fuziune.

O parte integrantă a setului de instrumente oferit de ADI este motorul software proprietar de calcul al profunzimii, pe care utilizatorii îl pot utiliza împreună cu modulul. Acest motor aduce cu el zeci de ani de proprietate intelectuală și know-how în domeniul ToF. Este o parte tehnologică esențială în lanțul de semnal care permite ca ADTF3175 să-și atingă precizia și performanța. În timp ce astăzi este vorba de un algoritm software, în viitorul foarte apropiat, utilizatorii vor putea accesa aceeași capabilitate și prin intermediul unui procesor de semnal de imagine dedicat, care va reprezenta o schimbare radicală în ceea ce privește latența și consumul de energie și va deschide noi orizonturi pentru măsurarea adâncimii.

ADTF3175 se bazează pe colaborarea dintre Analog Devices și Microsoft pentru a oferi pe piața largă modulul 3D de măsurare a profunzimii cu cea mai înaltă rezoluție. Proiectanții pot experimenta beneficiile ADTF3175 folosind kitul de evaluare care transformă efectiv ADTF3175 într-o cameră USB. Acesta asociază ADTF3175 cu un SOM NXP iMX8M. Kitul de evaluare are un dublu scop, fiind un proiect de referință complet pentru interfațarea modulului ToF cu procesorul de aplicații NXP, managementul energiei și include toate driverele și software-ul necesare. În afară de NXP, ADI a colaborat și cu o serie de alți furnizori pentru a dezvolta suport pentru ADTF3175 în cadrul ecosistemelor lor (de exemplu, Qualcomm, ARM, OpenCL, NVIDIA). Sunt furnizate, de asemenea, informații pentru obținerea certificării pentru clasa I de siguranță pentru ochi. Modulul monitorizează mai mulți parametri interni pentru a se asigura că nu sunt depășite limitele de siguranță.

Diagrama bloc funcțională a modulului

Modulul ADTF3175 este construit pe baza senzorului ADSD3100, acesta fiind primul senzor time-of-flight de un megapixel de pe piață. Dincolo de rezoluția ridicată și de cea mai mică dimensiune disponibilă a pixelilor de 3,5μm x 3,5μm, senzorul poate opera cu frecvențe de modulație de până la 320 MHz, ceea ce este mult mai mare decât a oricărui alt senzor de pe piață sau chiar în comparație cu lucrările publicate. Operarea la o frecvență de modulație ridicată reduce erorile de fază. Schema exactă de modulație utilizată este un IP critic care a fost dezvoltat de-a lungul mai multor ani și care îi permite modulului ADTF3175 să ofere cel mai mic zgomot și, în același timp, să obțină cea mai mică latență posibilă. Latența este un aspect critic în multe aplicații, cum ar fi AR și robotica.

Caracteristici

► Dispozitiv de formare a imaginii ToF 1024 × 1024 cu pixeli de 3,5 μm × 3,5 μm
► Câmp de vizualizare de 75° × 75°
► Subansamblu de lentilă pentru imagistică cu filtru trece-bandă de 940 nm
► Subansamblu de iluminare cu suport pentru protecția ochilor
► Interfață de transmisie MIPI CSI-2 cu 4-benzi (lane-uri), 1,5 Gbps pe bandă (lane)
► Interfețe seriale SPI cu 4 fire și I2C cu 2 fire
► Memorie NVM (Flash) pentru secvența de pornire a modulului
► Regulatoare de putere pentru sistemul local de formare a imaginii și liniile de iluminare
► Moduri calibrate la rezoluții de 1024 × 1024 și 512 × 512
► Gama de profunzime: 0,4 m până la 4 m (zgomot de adâncime (1σ) maxim 15 mm, 19% reflectanță minimă a țintei, lumină solară echivalentă cu 3 klux)
► Precizia adâncimii: ±5 mm (pe toată gama de adâncime)
► Disponibil în capsulă ML-50-1, MODUL, cu 50 de terminale

Aplicații

► Sisteme de viziune artificială
► Robotică
► Automatizarea clădirilor
► Sisteme de realitate augmentată (AR)

Aplicațiile de detectare a profunzimii și time-of-flight sunt numeroase și cresc într-un ritm exponențial. Pe măsură ce mașinile trec la moduri autonome de operare în care preiau din ce în ce mai mult procesul de luare a deciziilor, acestea au nevoie de aceeași abilitate de a percepe în trei dimensiuni. În prezent, profunzimea este realizată prin metode de triangulație (de exemplu, camere stereo 2D sau lumină structurată), dar acest lucru are o serie de limitări în comparație cu accesarea măsurătorilor reale de profunzime. Roboții mobili autonomi (AMR) au nevoie de abilitatea de a vedea totul în jurul lor și de a naviga în siguranță în medii care vor conține obstacole și care vor avea o gamă largă de condiții de iluminare. Roboții colaborativi (coboți) trebuie să lucreze alături de oameni, iar siguranța este primordială; siguranță care poate veni doar cu o imagistică precisă și cu latență redusă a spațiului comun.

În plus față de percepția mașinilor, ne aflăm acum la punctul de inflexiune al economiei “Metaverse”, care va avea probabil un impact asupra tuturor domeniilor, de la jocuri și divertisment, la comerț cu amănuntul, asistență medicală, educație și industrie. Detecția profunzimii este poarta de intrare în Metaverse ori de câte ori obiectele sau spațiile fizice trebuie să fie virtualizate pentru a implementa experiența necesară.

Analog Devices