3Dタイム オブ フライト (3D ToF) は、スキャナー不要のLIDAR (光検出および測距) テクノロジであり、ナノ秒単位の高出力光パルス (通常は短距離内) を放射して、関連するシーンの深度情報を取得します。民生用電子機器、インダストリアル4.0、自動車、ヘルスケア、セキュリティと監視、ロボット工学などの分野で広く使用されています。この記事では、ADIが発表した3D ToFテクノロジーの開発と関連ソリューションについて説明します。
3D ToF技術は距離を正確に測定できる
3D ToFテクノロジーは、変調された光源 (レーザーなど) を使用してオブジェクトをアクティブに照らし、レーザー波長に敏感なセンサーで反射光をキャプチャすることで、ToFカメラを使用して距離を測定します。センサーは、カメラから光が放射されてからカメラが光を受信したまでの時間遅延 Δ を測定します。時間遅延は、カメラと物体間の距離（往復）の2倍に比例します。したがって、距離は深度 = cΔ/2として推定できます。ここで、cは光速を表します。
現在、∆Tを測定する方法は数多くありますが、最も一般的に使用されているのは連続波 (CW) 方式とパルスベース方式です。注目すべきは、市場で実装され使用されているCW ToFシステムのほとんどはCMOSセンサーを使用しているのに対し、パルスToFシステムでは非CMOSセンサー (特にCCD) を使用していることです。
3D ToFはさまざまな主要分野で広く使用されています
3D ToFテクノロジーは、AR (拡張現実) やVR (仮想現実) ヘッドセットから、高度な写真撮影機能やセキュリティ機能を備えたスマートフォンまで、民生用電子機器で広く使用されています。ToFテクノロジーは、次世代の民生用電子機器の重要な部分になると期待されています。AR/VRヘッドセットでは、ToFシステムを通じて取得された深度情報により、ユーザーにさらなる現実の次元を提供できます。スマートフォンでは、この技術により、カメラでDSLR品質の写真を撮影したり、よりリアルなAR/VR機能を実現したり、外部からの不正アクセスを防ぐための追加の保護を提供したりできるようになります。
インダストリアル4.0で使用されるスマートセンサー（特に深度センサー）は、製造、輸送、物流の分野でますます使用されるようになっています。品質検査用の産業用マシンビジョンから資産管理用の容積検出、自律製造用のナビゲーション機器まで、製造業界ではこれらのセンシング技術を採用し、過酷な産業環境に適した高解像度システムの開発を推進しています。
次世代の自動車アプリケーションでは、コックピット内のToFシステムがドライバーと乗客の位置と状態を監視し、ドライバーが運転できない場合に車両を制御・操作し、車両の安全を確保します。ToF技術によって実現されるジェスチャー コントロール システムは、次世代の自動車ユーザー インターフェイスになる可能性があります。これにより、ドライバーは簡単なジェスチャーやタッチ操作で着信に応答したり、オーディオ入力ソースを切り替えたり、車内の温度を調整したりできるようになります。
昨今のパンデミックを踏まえ、ヘルスケア分野では長距離・深度測定に適したToF技術の重要性が高まっています。ジェスチャーによる非接触制御、乳児の呼吸の遠隔監視、さまざまな環境での社会的距離の監視はすべて、3D ToFテクノロジーを使用して実現できます。
セキュリティおよび監視アプリケーションにおける従来の2D画像検出技術と比較して、3D ToF高解像度被写界深度測定技術には明らかな利点があります。高解像度の被写界深度測定により、人物と物体の分類がより容易かつ確実になり、商業ビルの出入り口でのセキュリティや監視、医療環境における患者の転倒や怪我の検出に非常に適しています。
さらに、自動化されたマシンやロボットが環境を認識して経路を計画できるようにする高解像度のToFシステムは、タスクを最適化され、信頼性が高く、安全に実行するために重要になります。さらに、3Dイメージングは、人間と協働ロボットが連携して作業するアプリケーションでセキュリティ機能を実現できます。協働ロボットは産業界で使用されているだけでなく、工場の作業場から新しい用途（医療など）にも進出しています。看護師が空間や表面を消毒するのを手伝ったり、スタッフが直面する健康リスクを最小限に抑えるために特定の検査の完了を支援したりすることができます。
業界をリードする完全な3D ToF製品とソリューション。
3D ToFテクノロジーの急速な発展を踏まえ、ADIは、高解像度CMOSイメージング チップ (100万ピクセル)、高度な計算と処理、レーザー ドライバー、電源管理、ToFソリューションの迅速な実装に役立つ開発ツールとソフトウェア/ファームウェアなど、高度なToFシステムとカメラ機能を直接実装および強化する、業界をリードするさまざまな製品とソリューションも提供しています。さらに、ADIはグローバル パートナー ネットワークを活用してToFモジュール、カメラ、設計サービスを開発し、製品開発期間の短縮に貢献しています。
ADIのADSD3100は、3Dセンサー システムに統合できるCMOS 3D ToFに基づく3D深度および2D可視光イメージャーです。読み出しに必要な機能モジュールには、アナログ-デジタル コンバーター (ADC)、ピクセル バイアス回路、センサー制御ロジックなどがあり、これらはチップに組み込まれ、システム内でシンプルでコスト効率の高いソリューションを実現します。
ADSD3100は、モバイル インダストリー プロセッサ インターフェイス (MIPI) とカメラ シリアル インターフェイス2 (CSI-2) を介してホスト システムと電気的にインターフェイスします。動作するサブシステムを完成させるには、イメージャー用のレンズと光学バンドパス フィルター、赤外線光源、および関連ドライバーが必要です。ADSD3100は、スマートフォン、AR/VR、マシンビジョンシステム（物流・在庫）、ロボット工学（民生用電子機器・産業）などの分野で使用できます。
ADIのADDI9036は、電荷結合素子 (CCD) TOFイメージング アプリケーション向けの完全な45 MHzフロントエンド ソリューションです。ADDI9036には、アナログ フロント エンド (AFE)、プログラム可能な命令セット アーキテクチャ (ISA) タイミング ジェネレーター (ISATG)、7チャネル レーザー ダイオード (LD) ドライバ、7チャネルHドライバ、および16チャネル垂直ドライバ (Vドライバ) が含まれています。高精度タイミング コアを使用すると、45 MHzで約174 psの解像度でCCD水平クロックとLD出力を調整できます。®
ADDI9036のAFEには、黒レベル クランプ、相関二重サンプラー (CDS)、可変ゲイン アンプ (VGA)、および12ビットADCが含まれています。AFEデータはMIPI®; CSI-2送信インターフェースを介して出力され、内部レジスタはI2Cシリアルインターフェースを介してプログラムすることもできます。ADDI9036は6 mm × 6 mm 117ボールWLCSPパッケージで提供され、動作温度範囲は -20℃ ～ +85℃ です。
ADI ADP362x/ADP363xは、2つの独立したNチャネル パワーMOSFETを駆動できる高電流デュアル チャネル高速ドライバ シリーズです。このシリーズは、業界標準のフットプリントを採用していますが、高速スイッチング性能を備え、システムの信頼性が向上しています。このシリーズは内部温度センサーを統合しており、接合部温度が極端に高い場合に、2つのレベルの過熱保護、過熱警告、および過熱シャットダウン機能を提供します。
内部の高精度コンパレータによって生成されるSD機能により、システムの有効化またはシャットダウンを迅速に切り替えることができます。この機能は、冗長な過電圧保護を提供し、メイン コントローラー デバイス内の保護を補完したり、過熱警告イベントが発生した場合にシステムを安全にシャットダウンしたりします。広い入力電圧範囲により、ドライバはアナログおよびデジタルPWMコントローラと互換性を持つようになります。デジタル電源コントローラは低電圧電源から電力を供給され、ドライバは高電圧電源から電力を供給されます。ADP362x/ADP363xシリーズには、低電圧デジタル コントローラと組み合わせて使用する場合、高電圧電源の安全な起動とシャットダウンをサポートするためにUVLOおよびヒステリシス機能が追加されています。
ADP362x/ADP363xシリーズのデバイスは、放熱性が強化されたSOIC_N_EPおよびMINI_SO_EPパッケージを使用しており、より小さなプリント回路基板 (PCB) 領域で高周波および高電流スイッチング性能を大幅に向上させます。AC-DCスイッチング電源、DC-DC電源、同期整流器、モーター駆動などの分野で使用できます。
システム開発をスピードアップできる3D ToF開発プラットフォーム。
3D ToFシステムの開発を加速するために、ADIは3D ToF開発プラットフォームAD-96TOF1-EBZもリリースしました。このモジュール式ToFソリューションは、業界標準の96Boardsプラットフォームに基づいており、オブジェクトのX、Y、Z軸データを測定できます。
AD-96TOF1-EBZは、3Dソフトウェアおよびアルゴリズム開発用の96Boardsエコシステムのプロセッサ ボードで使用できる、実績のある深度認識ハードウェア プラットフォームです。ソフトウェアやアルゴリズムを開発しながら、ハードウェア設計を活用して生産を実現できます。
ADIは、さまざまなアプリケーションのニーズを満たすプラットフォームのカスタマイズを支援するサードパーティ開発者を推奨できます。顧客の好みや開発経験の違いに応じて、さまざまな96Boardsプロセッサ ボードを使用して、システム全体の評価やカスタマイズされた開発を行うことができます。Raspberry Piインターフェースをメザニン ボードで使用することで、顧客の柔軟性をさらに向上させることもできます。
このソリューションは、コンパクトな設計と低消費電力機能を実現し、最大6メートルの深さを測定でき、優れた屋外および屋内パフォーマンスとVGA解像度を備えています。ロボット工学、産業オートメーション、SLAM（同時位置推定とマッピング）、AR、VR、ドローン、自動車センシングなどのアプリケーションに使用できます。
もう1つのToF開発キットであるAD-FXTOF1-EBZ 3Dは、被写界深度測定モジュールであり、大規模なシステムや最終製品の統合に最適です。VGA CCDを使用し、640 x 480の被写界深度マッピング シーンを30フレーム/秒でキャプチャすることをサポートし、市場の他の多くのTOFシステムよりも4倍高い解像度を提供します。
AD-FXTOF1-EBZは、被写界深度測定に適した実績のある生産モジュールです。既存のADI 3DTOFオープンソースSDKおよびプロトタイピング ソフトウェア プラットフォームと完全に互換性があります。既存のADIアルゴリズムと組み合わせて使用することで、人物検出、占有および活動の検知、物体検出および分類、自律型ロボットおよびサービス ロボット、物流および産業用アプリケーションの体積測定、その他多くのマシン ビジョン アプリケーションなど、さまざまなユース ケースに使用できます。このキットには、ToFモジュールの25ピン インターフェイスを15ピン インターフェイスに適合させるインターポーザ ボードが含まれており、Raspberry PI、Nvidia Jetson Nano、Nvidia Xavier NXなどの一般的に使用される開発システムと互換性があります。
ADIは、深度マップと (710バージョン) TOF + RGB画像 (無効にすることもできます) を出力する、ADIのToF信号チェーン製品とテクノロジに基づく高度に統合されたToFカメラ モジュールも導入しています。FOVは70 x 54です。深度カメラは最大640 x 480 (30 FPS) の画像サイズをサポートします。RGBカメラは最大1920*1080 (30 FPS) の画像サイズをサポートします。USB 2.0インターフェースを内蔵しています。Android、Linux、Windows 7/8/10オペレーティング システムで実行でき、Pico深度センサーSDK、サンプル コードとツール (Open NI SDKと互換性あり)、およびPythonのADIサンプル アプリケーション アルゴリズムを提供します。
結論
3D ToF技術を統合したLiDARシステムの開発はかなり成熟しており、その応用範囲はますます広がっているため、市場開発に大きな可能性を秘めています。ADIは、完全な3D ToF製品とソリューションをリリースし、使いやすい開発プラットフォームとモジュールを提供して顧客の製品開発を加速させています。これは、関連製品を開発するための最良の選択肢の1つとなります。