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                索尼開發出擁有業內最小像素間距的背照式ToF測距傳感器 ——同樣精度的深度圖,測量的距離超出傳統方式1.5倍

                (2017年06月05日,東京,日本)——索尼公司(下稱索尼)宣布已開發出10微米像素間距的背照式飛行時間(下稱ToF)測距傳感器,目前為業內最小像素間距。*1這項成果得以實現,綜合了Softkinetic Systems S.A.公司(2015年被索尼收購,下稱Softkinetic)的ToF測距傳感器技術和索尼自身的背照式CMOS影像傳感器技術。對此傳感器的研究成果于本周一,即本月5日,在日本東京的“2017年超大規模集成電路技術和電路研討會”上公布。
                  

                       (2017年06月05日,東京,日本)——索尼公司(下稱索尼)宣布已開發出10微米像素間距的背照式飛行時間(下稱ToF)測距傳感器,目前為業內最小像素間距。*1這項成果得以實現,綜合了Softkinetic Systems S.A.公司(2015年被索尼收購,下稱Softkinetic)的ToF測距傳感器技術和索尼自身的背照式CMOS影像傳感器技術。對此傳感器的研究成果于本周一,即本月5日,在日本東京的“2017年超大規模集成電路技術和電路研討會”上公布。


                       *1 截至新聞發布日期即6月5日為止,背照式ToF測距傳感器擁有業內最小像素距離。


                       運用ToF技術,到達某物體的距離可以通過光線從光源到達物體,再反射回傳感器的時間來測量。ToF測距傳感器的每個像素都參與測距,從而獲得高精度的深度圖。通過保證反射的光被有效接收,同時測距所要求的處理程序得以高幀率執行,精度得到進一步提升。此外,通過有效地收集和處理反射光也降低了能耗,更有效、更少的光源即可實現測距。


                       應用于索尼新品的ToF技術的關鍵在于Softkinetic專有的電流輔助光電子解調器(下稱CAPD),其采用獨有的像素結構,借助像素中的漂移電流*2進行高速調制,能以更佳的精度檢測光信號。這項技術提升了每個像素層面的距離測量精度,因此實現了更準確的測量結果和遠距離的深度圖采集。


                      *2內置的像素漂移電流:和普通的影像傳感器不同,電流通過兩個電極間的電位差產生,沒有形成耗盡層。


                       索尼將CAPD和自身的背照式CMOS影像傳感技術相結合,用于開發新的背照式ToF測距傳感器。其特點是像素間距為10微米,目前業內最小。新的傳感器利用背照式像素結構的優勢,可將電路置于光電檢測器之下。通過最優化CAPD的像素結構和電路,本款索尼新品展現出更出色的光收集效率并且能進行高速距離測量處理。這項設計能提供和傳統方法相同的測量精度,但是測量距離可增加到1.5倍遠。*3光收集效率的提高使弱光源的使用成為可能,也降低了能耗,使ToF鏡頭模組更加緊湊小巧。


                      *3 和索尼的前照式ToF測距傳感器相比較


                       近年來,對更精準深度傳感的需求一直在增加,尤其是在增強現實(AR)、虛擬現實(VR),以及其他要求自動操作的應用程序,例如機器人和無人機。新的傳感器是DepthSense®產品陣容的一部分,使手勢、物體識別及障礙檢測這些功能得以實現。通過緊湊的機身,以較低的能耗提供高精度的深度傳感表現,新的傳感器將會幫助擴展ToF影像傳感器的應用范圍。

                 *DepthSense®:為Softkinetic Systems S.A.公司的注冊商標。


                 產品特點

                        CAPD像素技術實現高效率信號輸出


                        SoftKinetic的CAPD技術利用光源的飛行時間在不同相位多次讀取信號, 然后輸出信號比,再轉換為距離信息。一般而言, 為了提高深度圖的信噪比(SNR), 需要在像素內放置多個讀取電路來準確地讀取不同相位的多個信號, 從而精確計算出反射光的延遲, 也提高了反射光信號的使用效率。深度測量的精度也取決于使用更快的調制頻率的能力。


                        為了滿足這些要求, CAPD動態地創造了一個潛在的梯度 (電子轉移的斜率),并通過內部像素漂移電流*2進行高速傳輸. 這個設計使得在兩個收集器之間從反射光中轉換出來的電子可以高效、高速傳輸, 從而能夠更準確地獲得不同相位的信號。


                * 深度精度與下式所示相關。

                σdepth: 測量距離的變化,Fmod: 調制頻率,Cmod:信號分布比率


                高精度背照式ToF影像傳感器擁有10微米像素間距,為業內最小。*1


                       ToF 通常在像素內部包含多個讀取電路。因此,在前照式CMOS影像傳感器中,處于影像檢測器頂部的多個晶體管和電路板,會與物體反射回來的光產生干擾,于是降低了距離測量的準確性。


                       索尼提供了背照式CMOS影像傳感器技術去提升有效像素進光比例。這種設計提高了光的采集效率,使10微米的像素間距即可達到前照式傳感器15微米像素間距的水平。其結果是開發出一個結構更為緊湊的影像傳感器卻實現了更為精準的深度感知功能。


                       此外,除了采用背照式的結構,像素的構建和像素中電路的分布也針對ToF技術進行了優化,使距離測算過程中所需要的相位差異檢測的速度得到提升。由此,和傳統方法*3相比,調頻范圍得以提高一倍。在保持對反射光利用效率的同時,在同樣距離的測算當中,獲得了更好的、更精準的深度圖,這也相當于采用傳統方式*3所獲取深度圖的1.5倍準確度。

                      由該CMOS影像傳感器拍攝的照片

                      在同樣距離下所獲取深度圖的對比,左邊為新型傳感器,右邊為傳統傳感器。

                      在深度準確性相當的情況下,可測算距離的對比。(環境光線:2k lux;光源:104 mW;調頻:100 MHz)


                主要技術規格



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