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2017年06月05日

業界最小画素※1の裏面照射型Time of Flight方式距離画像センサーを開発

裏面照射型技術により、従来比※21.5倍の高精度な距離画像の取得を実現


ソニー株式会社
ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
ソニーは、業界最小※1となる10µm角画素の裏面照射型Time of Flight 方式(以下、ToF方式)距離画像センサーを開発しました。これは、2015年に買収したSoftkinetic Systems S.A.(以下、ソフトキネティックシステムズ社)のToF方式距離画像センサー技術とソニーの持つ裏面照射型CMOSイメージセンサーの技術を融合し実現したものです。
なお本成果は、2017年6月5日(月)から京都で開催されているVLSIシンポジウムにおいて発表されました。

  • ※1 裏面照射型Time of Flight方式距離画像センサーにおいて。2017年6月5日広報発表時点。
  • ※2 自社の表面照射型ToF方式距離画像センサーとの比較。
一般的にToF方式とは、光源から発した光が対象物で反射し、センサーに届くまでの光の飛行時間(時間差)を検出することで、対象物までの距離を測定する方式です。ToF方式を採用したイメージセンサーは、画素ごとに距離情報を検出し、高精度な距離画像を取得できます。さらなる精度向上のためには、反射光を効率よく捉えるとともに、より高速に距離測定の処理を行う必要があります。また、低消費電力化のためには、反射光の集光・利用効率を向上させ、光源の出力を抑えることが求められます。
ソフトキネティックシステムズ社が保有する、ToF方式を実現する画素技術CAPD(Current Assisted Photonic Demodulator)は、反射光信号の読出し精度を上げるために、画素内ドリフト電流※3を用いた高速処理が可能な独自の画素構造を採用しています。この構造により各画素の測距精度が上がり、遠距離でも正確な測定と距離画像の取得が可能となります。

今回ソニーは、このCAPDとソニーの裏面照射型CMOSイメージセンサーの画素技術を融合させることにより、業界最小※1となる10µm角画素の裏面照射型ToF方式距離画像センサーの開発に成功しました。本開発品は、配線が受光部の下に配置されるという裏面照射型構造の優位性を活かし、画素構造と画素内配線をCAPDにあわせて最適化することで、集光効率を向上させるとともに、測距のための高速な処理が可能となりました。これにより、従来比※21.5倍の距離でも、従来と同等の精度を実現しました。また、高い集光効率により、光源の出力を抑えることができ、距離画像センサーモジュールの低消費電力化と小型化にも貢献します。

近年、AR(拡張現実)/VR(バーチャルリアリティ)のほか、自律的な動作が必要となるロボットやドローンなどの市場では、より正確な距離画像の取得が求められます。本開発品は、低消費電力、かつ小型ながら高精度な測距性能を実現することにより、今後DepthSense®商品群として、ジェスチャー認識や物体認識、障害物検知など、ToF方式距離画像センサーの応用領域を広げていきます。

  • ※3 画素内ドリフト電流:通常のイメージセンサーと異なり、空乏層を形成せずに、2極間電位差により発生する電流。

開発品の特徴

CAPDの画素技術により、高い信号効率を実現
ソフトキネティックシステムズ社のCAPDは、光源の飛行時間を利用した位相の異なる信号の読み出しを複数回行い、その信号の比率を出力することで、距離に換算する方式を採用しています。一般的にこの方式の場合、距離画像のSN比を上げるためには、反射光信号の利用効率の向上に加え、画素内に複数の読み出し回路を配置し、反射光の遅延が正しく計算できるように複数の位相の信号を正確に読み出すことが求められます。加えて、測距精度向上のために、より高速な周波数で駆動することが必要となります。
これらの要件を満たすために、CAPDは電位勾配(電子転送のための斜面)を動的につくり、画素内ドリフト電流※3で高速転送を行います。これにより受光部で反射光から変換された電子を、二つの読み出し部の間で効率よく高速に転送することで、より正確な位相差信号の取得が可能となります。

※ 測距精度は、以下の式のような関係にあります。
σdepth:測定距離のばらつき、Fmod:変調周波数、Cmod:読出し分配比 
計算式の図
業界最小※110µm角画素で高精度な裏面照射型ToF方式距離画像センサー
一般的にToF方式の画素は、画素内に複数の読み出し回路を配置するため、表面照射型CMOSイメージセンサーの場合は、受光部(フォトダイオード)の上の多くのトランジスタや配線が対象物からの反射光の妨げとなり、測距の精度を落とす原因となります。
ソニーは、裏面照射型CMOSイメージセンサーの画素技術を組み合わせることで、画素の有効開口率(チップに対する受光部の割合)を向上させました。これにより、表面照射型の15µm角画素と同等の集光効率を、裏面照射型の10µm角画素において実現し、距離画像センサーの小型化を図りながら、より高精度な測距性能を可能としています。また、高い集光効率により、光源の出力を抑えることができ、距離画像センサーモジュールの低消費電力化と小型化に貢献します。
さらに、裏面照射型導入に合わせて画素構造と画素内配線をToF方式に合わせて最適化することで、測距に必要な位相差の検出をより高速化することが可能となりました。反射光の利用効率を維持したまま駆動周波数を従来比※2で2倍(100MHz)に上げられるため、同一の距離においては、精度が向上するため従来※2よりも高品位な距離画像が得られます。また、従来※2と同一の精度を維持した場合は、従来比※21.5倍の距離までの距離画像が得られます。

  • CMOSイメージセンサーによる撮影画像

  • 同一距離での取得距離画像比較:本開発品(左)と従来品(右)

  • 距離の誤差が同等時の測定距離の比較
    (環境光2klux、光源強度104mW(平均)、100MHz駆動時)

主な仕様

  開発品 従来品
光源波長 850nm 850nm
画素サイズ 10µm×10µm 15µm×15µm
変調周波数 100MHz 50MHz
信号コントラスト比 0.85 0.6
蓄積時間 380µs 380µs
1m測距時の距離誤差 5.9mm 12.9mm
光源波長
開発品 850nm
従来品 850nm
画素サイズ
開発品 10µm×10µm
従来品 15µm×15µm
変調周波数
開発品 100MHz
従来品 50MHz
信号コントラスト比
開発品 0.85
従来品 0.6
蓄積時間
開発品 380µs
従来品 380µs
1m測距時の距離誤差
開発品 5.9mm
従来品 12.9mm

※ DepthSense®は、ソニーセミコンダクタソリューションズの子会社であるソフトキネティックシステムズ社の日本国およびその他の国における登録商標です。
追加の取得距離画像比較は下記URLからご確認ください。
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