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來源：DigiKey 作者：Bill Schweber 人們普遍以為，技術的進步是一條直線，一目了然，半導體行業公布的未來五年或十年工藝技術和節點縮小“路線圖”強化了這種觀念，好像這一切都可以根據過去的發展軌跡輕易推算出來。 然而，在許多情況下，技術進步的實際過程并非如此。任何在 1947 年研究真空管技術并預測其近期和中期未來的人，肯定想不到晶體管這樣顛覆性的發明會誕生。同樣，在 20 世紀 50 年代初研究晶體管和電路的預測者，也不會想到 50 年代末期會出現集成電路。 技術進步不僅僅源于這種顛覆性、革命性且通常不可預見的事件。相反，在很多情況下，技術進步是因為一個領域的從業者看到、借鑒并利用了其他不相關領域的發展成果。例如，固態工藝技術的許多進步之所以可能，是因為人們能夠獲得高純度的基本元素和化合物，以及為太空望遠鏡開發的先進光學技術。 跨領域的創新發展可以實現 1+1 > 2 的效果，這方面的另一個例子是飛行時間 (ToF) 系統和傳感器，它們對于高級機器學習 (ML) 和計算機視覺 (CV) 系統越來越重要。 在過去的十年里，ToF 系統的應用越來越多。盡管其基本原理早已為人所知，但要付諸實踐卻困難重重，不切實際。現在，得益于快速強大的計算系統以及光電傳感器和可控激光器等基本光學產品的進步，ToF 漸成主流技術。 什么是 ToF？ 所有 ToF 傳感器都使用光信號（光子）在兩點之間傳播（即從傳感器的發射器到目標，再反射回到傳感器的接收器）所需的時間來測量距離。這類似于雷達的工作原理，雷達通過發射射頻能量并接收反射回來的能量來測定距離和探測物體。ToF 在自主駕駛車輛和智能視覺機器人領域的運用，加速了 ToF 技術的進步和成熟。 ToF 有兩種形式：直接和間接（圖 1）。直接 ToF 傳感器發出僅持續幾納秒的短光脈沖，然后測量其中一些光返回所需的時間。相比之下，間接 ToF 傳感器發出連續的調制光，并測量反射光的相位，以計算到目標的距離。選擇使用哪一種取決于具體應用。 
圖 1：直接 ToF 傳感器使用短光脈沖和精密時間測量（左）；間接方法使用連續調制輸出和相對相位測量（右）。（圖片來源：Terabee/Switzerland） 傳統的非 ToF 相機只能捕捉二維彩色圖像，每個像素對應網格中的一個位置。但是，高精度 ToF 傳感器以接近 1:1 的像素比為傳統照片增加了第三維度。 這些傳感器通過創建“點云”來直觀地以相機視場的 X、Y、Z 坐標表示單個像素。ToF 傳感器甚至可以為視頻增加第三維度，因為從最基本的意義上來說，視頻是一系列圖像的集合。在這個過程中，它們會創建動態的三維點云和實時的深度映射視頻流。 不限于車輛 ToF 的用途并不局限于自主駕駛車輛，如 Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 傳感器所示（圖 2）。ZMX-3DE2500HF 單元采用 850 nm 紅外 (IR) 光源，可以測量和監視三維區域內的物體，為生產線上的裝填應用提供單傳感器解決方案。該單元能檢測峰高和平均填充水平。
圖 2：ZMX 系列 3D ToF 傳感器可以測量、監視、檢測生產線上的峰高和平均填充水平。（圖片來源：Banner Engineering） ZMX 系列具有 60° × 45° 的大視場 (FOV)，分辨率為 272 × 208 像素，距離范圍為 200 至 2500 mm。該傳感器可以檢測任何尺寸、形狀或方向的物品，對于材料、產品或包裝聚集在一個規定區域內的自動化工業和生產應用，它是理想的工具。另一個有意義的特性是，其完全獨立自足，不需要單獨的控制器或 PC。只需要定義幾項設置，可在幾分鐘內完成部署。物理連接也很簡單，只需要連接一條電源線和一條以太網線。 ZMX 系列傳感器可用于： · 監視自動化系統中從滑道或傳送帶收集物品的容器中的物品。結合數字成像和數千個激光測量點，它可以檢探測三維區域內的物體。 例如，將一個箱子放在某個位置來收集若干小的長方形盒子，箱子里面的盒子會堆積起來，形成一個形狀不可預測的堆垛。為了準確判斷箱子何時填滿，傳感器解決方案必須能夠檢測箱子全部區域上的填充高度變化。 · 識別物體的最大高度，無論最高點可能在感測區域內的什么位置。這也有助于計算填充體積。單個 3D 傳感器可以出色地確保容器填充量一致，防止過量裝填，跟蹤填充率，以及微調處理速度。 · 簡化應用，不再需要多個單點傳感器。單個 3D 傳感器更易于安裝和跟蹤，性能更可靠。當測量一堆不同形狀的物體時，傳統的單點技術可能不可靠。 例如，單個激光器可能照射到兩個物體之間的間隙，因而指示填充水平處于低位，或者超聲波傳感器的信號可能被角度或形狀奇特的物體反射到接收范圍之外，因而根本沒有讀數（圖 3）。相比之下，一個位于中央的 ZMX 傳感器可以完整覆蓋檢測區域的所有三個維度。
圖 3：超聲波傳感器可能會被目標處的間隙或異常反射誤導（左）；相比之下，ToF 系統提供完整的三維區域覆蓋（右）。（圖片來源：Banner Engineering） 然后是設置簡單 這些單元只有兩個連接器和一些有用的 LED 指示燈，因此物理互連非常簡單。一個是用于以太網的 M8 母頭連接器，另一個是承載直流電源（12 VDC 至 30 VDC）并提供兩個數字 I/O 通道的 M8 公頭圓形連接器（圖 4）。
圖 4：ZMX 系列傳感器單元提供用戶友好的 LED 指示燈，并通過兩個 M8 圓形連接器輕松實現互連。（圖片來源：Banner Engineering） 雖然電氣連接足夠簡單，但對于位置和區域傳感器來說，難點之一是設置，要讓它們看到需要看到的地方：不多也不少。 幸運的是，ZMX 系列使這種設置相對容易。Banner 3D Configuration 軟件顯示了設置和微調傳感器參數以及所有連接和 I/O 設置所需的信息（圖 5）。
圖 5：功能強大的可視化 Banner 3D Configuration 軟件包簡化了 ZMX 系列的設置和配置。（圖片來源：Banner Engineering） 此軟件將工作區分為幾個窗格： 1.圖像 (Image) 窗格參數包括：縮放；x、y、z 坐標；圖像顏色；以及視圖選擇。 2.圖像 (Image) 窗格顯示傳感器捕獲的當前圖像。該窗格還可用于在與傳感器斷開連接時顯示先前保存的文件以供查看，保存圖像文件，以及在觸發 (Trigger) 模式設置為外部 (External) 或軟件 (Software) 時手動觸發傳感器。 3.連接 (Connection) 窗格用于建立與傳感器的連接。 4.傳感器控制 (Sensor Controls) 窗格控制觸發模式和照明輸出。 5.填充水平 (Fill Level) 窗格包括感興趣區域和傳感器控制相關的選項，以及實時填充和峰高數據。 6.通信 (Communications ) 窗格設置傳感器的通信協議和 DHCP 選項。 7.傳感器維護 (Sensor Maintenance) 窗格包括傳感器信息以及更新固件、恢復默認或先前設置、備份當前傳感器設置的選項。 總結 在實際的生產環境中，要穩定而準確地檢測、測量、監視三維區域內的物體以測出峰高和平均填充水平，通常困難重重。Banner Engineering 的 ZMX 系列 3D ToF 傳感器采用了光學 ToF 硬件技術的最新創新成果和軟件算法，有效解決了上述問題，能夠更加容易地提供穩定可靠的結果。它還有一個圖形化配置工具，極大地簡化了設置、安裝和實際使用。 |
