工业CMOS图像传感器正在发生怎样的变化？

随着 3D 传感器技术的进步，制造和物流领域的客户可以依靠先进的传感器彻底改变他们的业务方式。

随着 3D 传感器技术的进步，它有望在制造和物流等领域形成新的应用，从而提高效率、生产力，它能够准确扫描并快速移动物体。

据Allied Market Research称，到 2031 年，全球 3D 传感器市场预计将达到 570 亿美元，自 2022 年起复合年增长率为 13% 。该技术的首次商业用途是在游戏领域的 3D 成像和检测，在过去十年中，受智能手机需求以及3D 面部识别解锁手机功能的推动，消费设备中的 3D 传感技术不断增加。

最近，需要3D深度传感技术的应用已经扩展到包括制造和物流以及增强现实。3D传感器技术带来的好处包括改进质量控制、提高自动化程度、增强安全性和优化存储。例如，该技术可以在仓库中使用，以最大限度地利用空间，并使机器人拾取和放置。

本文将探讨3D传感器技术的一些最新进展，并概述制造业和物流业的用例。

 工业 CMOS 图像传感器正在发生怎样的变化

专为 3D 解决方案设计的新型 CMOS 图像传感器正在出现，代表着工业应用向前迈出了一大步。对于激光轮廓仪，这些传感器使用最先进的全局快门像素技术和传感器架构，以矩形传感器格式提供具有高动态范围的超高速传感器，以满足应用限制。

对于间接飞行时间 (iToF) 系统，这些传感器嵌入了全新的像素设计，可实现快速 3D 检测，无需运动伪影，并且需要结合iToF技术特有的关键功能，例如可处理宽距离范围和宽反射率范围的高动态范围管理。这使得 iToF 成为在复杂条件和不断变化的环境中进行可靠实时决策的理想技术。随着 iToF 技术应用于机器人、物流、建筑测绘和智能交通系统 (ITS) 等行业，对 iToF 设备的需求持续增长。

自动化和监控的增加、机器人技术的使用以及工业 4.0 计划的其他方面正在产生对 3D 成像解决方案的需求，这些解决方案可以在各种具有挑战性的条件下提供高精度和距离测量。

 工业 4.0 中 3D 传感器的新应用

根据麦肯锡公司的定义，工业 4.0 是制造业数字化的下一阶段，受到颠覆性趋势的推动，包括数据和连接、分析、人机交互以及机器人技术改进等颠覆性趋势。

由于 2D 视觉在复杂物体识别和尺寸标注的精度和距离测量方面存在局限性，工业 4.0 的到来增加了对 3D 视觉的需求。此外，3D 成像支持人类与机器人之间的交互。借助 3D 视觉，工厂工人可以通过 3D 监控系统来保护工厂工人免受制造车间潜在危险情况的影响，该系统可以区分人与机器人和其他物体，从而创造一个更安全的环境。

3D 视觉提高了工厂自动化机器人和机器系统的自主性和有效性，对于更准确的质量检测、逆向工程和物体尺寸标注至关重要。此外，视觉系统辅助机器人的使用正在增加，需要 3D 视觉来实现更好的远程引导、障碍物识别和准确的移动。

工厂和仓库中动态尺寸标注的两个具体用例包括大型货运或货物尺寸标注以及高速包裹或包裹尺寸标注。

 大件货物或货物尺寸测量

动态尺寸测量涉及捕获和测量位于传送带或移动平台上的物体或包装过程。该技术通常用于物流、仓储和运输行业，以实现尺寸标注过程的自动化并提高效率。基于 3D 视觉的系统可以精确测量物体通过系统时的长度、宽度和高度，从而减少对手动测量的需要。

大型货物/托盘尺寸测量的 3D 传感器技术的工业应用比静态站具有显著的优势。借助实时尺寸标注功能，可以实现更高的效率。通过利用该技术可以实现高效的码垛，包括包装和卡车装载优化。凭借传感器级先进的片上功能，3D 系统可以在室内和室外环境中无缝协作，不受任何干扰，同时保持良好的性能水平。这些 3D 传感器具有高分辨率，可实现大视场和出色的角分辨率，从而完全覆盖尺寸超过一米的整个托盘。通过消除运动伪影，可以获得实时可靠的测量结果，从而节省时间和成本，并最终提高生产力。此外，先进的 3D 传感器可以处理广泛的反射率覆盖范围，因此即使对于反射率非常低的材料（如黑色橡胶），也可以保持一致的精度水平。

从这些系统捕获的尺寸数据可用于多种目的，包括货运和运输优化、仓库空间管理、自动分拣以及合规性和文档记录，以满足安全标准或运输法规等法规的要求。

 包装尺寸测量

高速包装或包装尺寸测量是另一个用例，是指以高速自动化方式快速准确地测量包裹或包裹尺寸的过程。先进的 3D 传感器是专用尺寸测量系统的一部分，用于捕获包装的长度、宽度和高度以及其他相关参数。在需要快速处理大量包裹的环境中，该用例的高速应用至关重要。通过自动化尺寸标注过程，减少了手动测量的需要，手动测量既耗时又容易出错。该技术可实现更快的吞吐量，提高运营效率，并促进准确的定价、分类和物流规划。

对于工业应用，3D 传感器技术为高速包装尺寸测量提供了创新的解决方案。创新的 3D 传感器技术通过实现实时尺寸测量超越了静态站，从而显著提高了效率。除了需要符合高速生产线的要求外，这些解决方案还可以应对短距离且可扩展的范围检测，例如以毫米级精度精确测量两到四米的距离。即使面对以超过每秒 30 帧的极限速度运行的传送带，这些复杂的传感器也能消除运动伪影。此外，它们具有广泛的反射率覆盖范围，可容纳低反射率材料，同时在整个探测范围内始终保持稳定和出色的精度水平。

高速包装或包装尺寸测量系统通常应用于各个行业，包括电子商务、零售、快递服务、配送中心和物流中心。它们通常集成到输送系统或物料搬运设备中，允许在包装沿加工线移动时对其尺寸进行测量。总体而言，高速包装/包装尺寸测量在优化物流运营、确保准确的货运计算以及实现整个供应链的高效管理方面发挥着至关重要的作用。

 3D 系统需要考虑的 10 个属性

在考虑工业应用的 3D 系统时，应考虑几个关键的应用参数。以下是一些需要考虑的重要因素：

距离范围：3D 系统要覆盖的用例的距离范围。例如，自主导引车 (AGV) 和自主移动机器人 (AMR) 应用通常需要 3D 技术在较长范围内执行，以检测障碍物并在各种工业环境中有效导航，而垃圾箱拣选仅需在短距离范围。

精度：根据应用所需的精度，3D技术将比2D更适合，然后，3D传感器技术将表征所能达到的精度水平。

分辨率：3D传感器的分辨率取决于场景中捕获的细节水平或待测物体的尺寸。

视场 (FoV)：视场会对选择的 3D 传感器分辨率和 3D 系统设计产生影响。

速度：快速 3D 检测需要在没有运动伪影的情况下进行，以避免错误的距离测量。并非所有 3D 技术都能以合理的速度提供 3D 测量或能够应对高速移动的物体。

反射率：您的 3D 系统需要处理的最小和最大反射率是多少？例如，在工业应用中，覆盖的反射率范围可能很宽，从 2% 到 98%，3D 系统应该在该范围的极限范围内提供足够好的精度，并且需要保持稳定的水平。

室外操作：在某些应用中，3D 系统需要在室内和室外操作，所选择的 3D 技术应该对环境光具有鲁棒性，同时保持良好的性能水平。

对各种场景的适应性：并非所有 3D 技术都适合在多种且不断变化的操作条件（光线、范围、室内/室外、精度……）下工作，特别是在需要逐帧进行时。

易于集成和操作：将 3D 系统集成到最终系统中需要付出什么努力？校准和制造工作量是多少？3D 系统是否需要特定的设置才能在工厂或仓库中正常运行？所有问题都需要考虑，并将直接影响您的成本。   成本：考虑应用的具体需求，评估 3D 技术的性价比。

所有这些因素不应单独考虑，因为它们之间存在许多依赖性，并且在选择 3D 技术、3D 系统或 3D 传感器时必须对它们进行整体评估。

 结论

随着 3D 传感器技术的进步，制造和物流领域的客户可以依靠先进的传感器彻底改变他们的业务方式，从而增强质量控制、提高效率和安全性。大型货运尺寸测量和高速包装和包裹尺寸测量等应用可以精确测量和优化仓库空间，从而增强质量控制、降低成本、减少浪费、提高安全性并整体提高运营效率。

审核编辑：刘清