2017.06.07

索尼开发出拥有业内最小像素间距的背照式ToF测距传感器

——同样精度的深度图,测量的距离超出传统方式1.5倍

(2017年06月05日,东京,日本)——索尼公司(下称索尼)宣布已开发出10微米像素间距的背照式飞行时间(下称ToF)测距传感器,目前为业内最小像素间距。*1这项成果得以实现,综合了Softkinetic Systems S.A.公司(2015年被索尼收购,下称Softkinetic)的ToF测距传感器技术和索尼自身的背照式CMOS影像传感器技术。对此传感器的研究成果于本周一,即本月5日,在日本东京的“2017年超大规模集成电路技术和电路研讨会”上公布。

*1 截至新闻发布日期即6月5日为止,背照式ToF测距传感器拥有业内最小像素距离。

运用ToF技术,到达某物体的距离可以通过光线从光源到达物体,再反射回传感器的时间来测量。ToF测距传感器的每个像素都参与测距,从而获得高精度的深度图。通过保证反射的光被有效接收,同时测距所要求的处理程序得以高帧率执行,精度得到进一步提升。此外,通过有效地收集和处理反射光也降低了能耗,更有效、更少的光源即可实现测距。

应用于索尼新品的ToF技术的关键在于Softkinetic专有的电流辅助光电子解调器(下称CAPD),其采用独有的像素结构,借助像素中的漂移电流*2进行高速调制,能以更佳的精度检测光信号。这项技术提升了每个像素层面的距离测量精度,因此实现了更准确的测量结果和远距离的深度图采集。

*2内置的像素漂移电流:和普通的影像传感器不同,电流通过两个电极间的电位差产生,没有形成耗尽层。

索尼将CAPD和自身的背照式CMOS影像传感技术相结合,用于开发新的背照式ToF测距传感器。其特点是像素间距为10微米,目前业内最小。新的传感器利用背照式像素结构的优势,可将电路置于光电检测器之下。通过最优化CAPD的像素结构和电路,本款索尼新品展现出更出色的光收集效率并且能进行高速距离测量处理。这项设计能提供和传统方法相同的测量精度,但是测量距离可增加到1.5倍远。*3光收集效率的提高使弱光源的使用成为可能,也降低了能耗,使ToF镜头模组更加紧凑小巧。

*3 和索尼的前照式ToF测距传感器相比较
近年来,对更精准深度传感的需求一直在增加,尤其是在增强现实(AR)、虚拟现实(VR),以及其他要求自动操作的应用程序,例如机器人和无人机。新的传感器是DepthSense®产品阵容的一部分,使手势、物体识别及障碍检测这些功能得以实现。通过紧凑的机身,以较低的能耗提供高精度的深度传感表现,新的传感器将会帮助扩展ToF影像传感器的应用范围。
*DepthSense®:为Softkinetic Systems S.A.公司的注册商标。

产品特点
CAPD像素技术实现高效率信号输出

SoftKinetic的CAPD技术利用光源的飞行时间在不同相位多次读取信号, 然后输出信号比,再转换为距离信息。一般而言, 为了提高深度图的信噪比(SNR), 需要在像素内放置多个读取电路来准确地读取不同相位的多个信号, 从而精确计算出反射光的延迟, 也提高了反射光信号的使用效率。深度测量的精度也取决于使用更快的调制频率的能力。

为了满足这些要求, CAPD动态地创造了一个潜在的梯度 (电子转移的斜率),并通过内部像素漂移电流*2进行高速传输. 这个设计使得在两个收集器之间从反射光中转换出来的电子可以高效、高速传输, 从而能够更准确地获得不同相位的信号。

* 深度精度与下式所示相关。 


σdepth: 测量距离的变化,Fmod: 调制频率,Cmod:信号分布比率

高精度背照式ToF影像传感器拥有10微米像素间距,为业内最小。*1

ToF 通常在像素内部包含多个读取电路。因此,在前照式CMOS影像传感器中,处于影像检测器顶部的多个晶体管和电路板,会与物体反射回来的光产生干扰,于是降低了距离测量的准确性。

索尼提供了背照式CMOS影像传感器技术去提升有效像素进光比例。这种设计提高了光的采集效率,使10微米的像素间距即可达到前照式传感器15微米像素间距的水平。其结果是开发出一个结构更为紧凑的影像传感器却实现了更为精准的深度感知功能。

此外,除了采用背照式的结构,像素的构建和像素中电路的分布也针对ToF技术进行了优化,使距离测算过程中所需要的相位差异检测的速度得到提升。由此,和传统方法*3相比,调频范围得以提高一倍。在保持对反射光利用效率的同时,在同样距离的测算当中,获得了更好的、更精准的深度图,这也相当于采用传统方式*3所获取深度图的1.5倍准确度。


由该CMOS影像传感器拍摄的照片


在同样距离下所获取深度图的对比,左边为新型传感器,右边为传统传感器。


在深度准确性相当的情况下,可测算距离的对比。(环境光线:2k lux;光源:104 mW;调频:100 MHz)

主要技术规格


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索尼公司是世界上民用及专业视听产品、游戏产品、通信产品、核心部件和信息技术等领域的先导之一。它在音乐、影视、电脑娱乐以及在线业务方面的成就也使其成为全球领先的电子和娱乐公司。公司在截止到2017年3月31日结束的2016财年,合并销售额达678.86亿美元。

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