Analog Devices en Microsoft bundelen krachten voor ultra‑precieze Time‑of‑Flight 3D‑imaging

Analog Devices (ADI) en Microsoft hebben een strategische alliantie gesloten om de grenzen van time‑of‑flight (ToF) 3D‑imaging te verleggen. Door gebruik te maken van Microsoft's Azure Kinect ToF-platform en ADI's toonaangevende IC- en systeemintegratie‑expertise, streeft het partnerschap naar oplossingen die niet alleen zeer nauwkeurig zijn, maar ook eenvoudiger te integreren in een breed spectrum van industrieën – waaronder Industrie 4.0, automotive, gaming, augmented reality en computationele fotografie.

Marktanalisten voorspellen robuuste groei voor 3D‑imaging systemen die betrouwbaar kunnen opereren in veeleisende omgevingen. Toepassingen zoals mens‑collaboratieve robots, ruimteschaalse mapping en real‑time voorraadtracking zijn belangrijke drijfveren voor Industrie 4.0, terwijl geavanceerde bezettingsdetectie en bestuurdersmonitoring essentieel zijn voor next‑generation automotive veiligheid.

In een recent interview met EE Times schetsten ADI's Senior Director of Enhanced Imaging, Tony Zarola, en Strategic Marketing Manager Carlos Calvo de fundamenten van deze samenwerking. Zarola stelde: "Microsoft heeft de benchmark gelegd voor 3D ToF-prestaties bij beeldsensorfabrikanten, wat ADI de kernpixeltechnologie oplevert die de sensoren en oplossingen die we bouwen, onderbouwt. Decennia aan expertise in data‑opname en revolutionaire algoritmes – zowel aan de Intelligent Edge als in de Intelligent Cloud – hebben ons in staat gesteld het beste van Microsoft's en ADI's silicium, systemen, software en optica te combineren."

3D ToF‑ontwerp uitgelegd

Gebarenherkenning berust op het vastleggen van een reeks menselijke bewegingen met een camera en IC die de scène in 2D of 3D scant. ToF‑technologie stuurt een laserpuls naar een doel en analyseert het gereflecteerde signaal, waardoor een dieptemap in real‑time ontstaat. In tegenstelling tot traditionele LIDAR gebruikt 3D ToF hoog‑vermogen optische pulsen op nanoschaal en vereist geen rotatiescanner, wat het ideaal maakt voor korte‑afstand, hoge‑resolutie diepteopname.

Een ToF‑camera verlicht een object gemoduleerd laserlicht en gebruikt een golflengte‑gevoelige sensor om de gereflecteerde bundel op te nemen. De sensor meet de tijdsvertraging tussen emissie en ontvangst, en vertaalt dat naar afstand. Twee veelvoorkomende meetmethoden bestaan: continuous‑wave (CW) en puls. De meeste commerciële ToF‑sensoren gebruiken CW met CMOS‑technologie.

Accurate ToF‑meting wordt uitgedaagd door omgevingslicht, multipath‑reflecties, temperatuurdrift en bereik‑ambiguïteit. "Elk component – sensor, lens, firmware – moet geoptimaliseerd worden als een coherente systeem," benadrukte Calvo. "Een camera met de beste sensor maar een slecht afgestelde lens zal overall slecht presteren."

Terwijl RGB‑camera's worden beoordeeld op subjectieve beeldkwaliteit, meten ToF‑camera's een objectieve fysische grootheid – afstand. Optische imperfecties zoals lensflaring kunnen benigne zijn in RGB, maar worden prestatie‑kritiek in ToF, vooral in reflecterende omgevingen.

De CMOS ToF‑sensor integreert zowel emitter als ontvanger in een enkele pixel, wat single‑pixel afstandsberekening mogelijk maakt tot 160 fps. Belangrijke signaal­keten‑elementen omvatten de laserdriver, de geïntegreerde readout‑sensor en de diepte‑compute‑engine. De ontwerpuitdaging strekt zich uit van pixel‑responsiviteit en modulatiecontrast tot de uiteindelijke 3D puntwolk‑interpretatie die door downstream‑applicaties vereist wordt.

Behalve silicium aanpakken ADI de volledige ontwerpcyclus – optomechanische layout, kalibratie, elektrisch ontwerp en software‑integratie – om de klantervaring te stroomlijnen.

Figuur 1. ToF‑blokdiagram. (bron: ADI)

De pixels van de sensor vangen licht uit verschillende scènegebieden op; hun signalen worden gecombineerd om het dieptebeeld te reconstrueren. Elke pixel werkt gebaseerd op een correlatie tussen demodulatie- en modulatieblokken, geïllustreerd in Figuur 2.

De stroom loopt naar Node‑A (Da) of Node‑B (Db) tijdens integratie, bestuurd door controle‑signalen. ClkA en ClkB lopen 180° uit fase tijdens de integratieperiode, en de faserelatie bepaalt de DA- en DB‑uitgangen. Na integratie steekt het systeem het geaccumuleerde signaal (BitlineAInt1–BitlineBInt1).

Fotoon‑naar‑elektron conversie volgt een Poisson‑verdeling, en kwantumefficiëntie – de verhouding van gegenereerde elektronen tot incidente fotonen – definieert de systeemprestaties. Omgevingslicht voegt ruis toe, terwijl het zichtsveld (FoV) gekozen moet worden om de scènebedekking te matchen.

Figuur 2. Elektrisch schema en timing voor een pixel. (Bron: https://ieeexplore.ieee.org/document/6964815)

Hoge‑frequentie operatie wordt bereikt door de chip te fabriceren op een 0,13 µm mixed‑signal low‑power CMOS‑proces, met kleine aanpassingen voor efficiënte ToF‑functionaliteit.

Implicaties voor de industrie

Het partnerschap zal ADI een nieuwe lijn van ToF 3D‑beeldsensoren laten ontwikkelen die sub‑millimeter diepte‑nauwkeurigheid leveren en naadloos integreren in Microsoft's ecosysteem – met benutting van Azure's cloud‑capaciteiten en edge‑computing.

Zarola toonde vertrouwen dat de samenwerking meerdere sectoren zal transformeren: "Tot nu toe was Microsoft's ToF‑technologie niet breed commercieel beschikbaar voor schaling. Met ADI's silicium‑ en systeeme expertise verwachten we een game‑changing oplossing te leveren over consumenten, industriële, healthcare en automotive markten."

Potentiële toepassingen omvatten verbeterde gezichtsherkenning‑beveiliging, veiligere fabrieksautomatisering, en Industrie 4.0‑werkstromen waar collaboratieve robots zonder veiligheidshekken kunnen opereren. In logistiek kan precieze ToF automatische doos‑ en pallet‑dimensiemeting mogelijk maken, wat de efficiëntie verhoogt.

Zarola voegde toe: "Geavanceerde bezettingsdetectie zal energiegebruik, veiligheidssystemen en mens‑machine‑interactie verbeteren. Van huizenentertainment tot automotive veiligheid, ons gezamenlijke ToF‑platform zal immersive gaming‑ervaringen en bestuurder/passagier‑monitoring mogelijk maken, de basis leggend voor morgen's innovaties."

Beide leiders benadrukten de noodzaak voor millimeter‑niveau diepte‑resolutie over brede temperatuurbereiken. Het bereiken van dergelijke precisie vereist 10 ps timing‑uitlijning tussen laser‑controle en sensor‑pixels – een 1,5 mm afstandsfout bij misuitlijning. Bovendien vereist het behoud van nauwkeurigheid over temperatuursvariaties geavanceerde kalibratie‑algoritmes die in tandem ontwikkeld worden.

Een ander focuspunt is de modulatie‑frequentie. "Lagere modulatie‑frequenties introduceren hogere diepte‑ruis en versterken multipath- of omgevingslicht‑artefacten," merkte Calvo op. "Door de gemiddelde modulatie‑frequentie te verhogen, verminderen we diepte‑ruis en mitigeren we nadelige effecten."

ADI's holistische benadering – mechanische uitlijning, optisch ontwerp, kalibratie, elektrische architectuur en software – adressert de lange ontwikkelcyclus die ToF‑camera‑deployment typisch belemmert.

De combinatie van Microsoft's ToF‑technologie – gebruikt in HoloLens mixed‑reality apparaten en de Azure Kinect kit – met ADI's custom oplossingen zal een nieuwe generatie van high‑performance, schaalbare applicaties mogelijk maken, wat de time‑to‑market vermindert.

>> Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op onze zusite, EE Times.