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。
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※2となる10um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※11.5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(R)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。
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。
業界最小※210um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15um角画素と同等の集光効率を、裏面照射型の10um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※1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※1よりも高品位な距離画像が得られます。また、従来※1と同一の精度を維持した場合は、従来比※11.5倍の距離までの距離画像が得られます。
本リリースの詳細は下記URLをご参照ください。
https://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/201706/17-059/
※1 自社の表面照射型ToF方式距離画像センサーとの比較。
※2 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。
※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。
概要：ソニー
詳細は www.sony.co.jp をご覧ください。
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