高精度な距離・形状測定を実現する
TOF距離イメージセンサ
静岡大学 電子工学研究所
ナノビジョン研究部門
イメージングデバイス分野
助教 安富 啓太
令和2年11月5日
1Time-of-flight(TOF)距離イメージング
対象物に光を照射し、反射光が戻ってくるまでの時間を計測することで対象物までの距離を求める方法

Distance:LObject

Light source

1
𝐿 = 𝑐 ⋅ 𝑡𝑇𝑂𝐹
2
c ： 光の速度[m/s]tTOF: 光の飛行時間(往復) [s]TOF Sensor=時間分解イメージセンサ

LEDShizuoka University
Imaging Devices Laboratory

No. 2

TOFカメラの期待される応用
Resolution Limitof Standard TOF cameras

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Range resolution

No. 3

静岡大学での取り組み
Development 3:
Based on SOI Pixel
Detector: High Q.E.
@950nmDevelopment 1:
High-speed lock-in
pixel (PW: 4ns)

This talk
Development 2:High-range
resolution ToF
Imager <100μm

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Range resolution

No. 4

従来技術の課題
現在は三角測量を基にした計測が主流（ステレオ計測、光切断、パターン光投影...）→カメラ間or 光源-カメラ間の距離（ベースラインが必要）• ヘッドサイズの小型化に制限
ベースライン• 影（オクルージョン）の発生
光源
カメラor• 計測対象との距離を調整する必要あり
カメラ（精度、距離分解能が距離に依存する）
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

No. 5

TOF-3Dスキャナの強み(1) 超小型ヘッド(2) 測距レンジ調整
TOF-3D
Scanner

TOF-3D
Scanner

WD*が電子的に調整可能→ 高速化

Scanning

光源-受光部間を近接あるいは同軸化が可能

小型で複雑な形状もフレ
キシブルにスキャン可能

対象物*WD: Working distance

従来技術:

従来技術:
受光部

Scanning
ヘッドを機械的に調整する必要あり精度を保つために、ある程度のベースラインが必要
発光部 （or受光部2)

対象物
6

距離分解能向上のため主要技術
主要技術1
光電流のインパルス応答を利用した新TOF距離計測手法

主要技術3
カラム並列スキュー補正回路

主要技術2

高速ロックイン画素(=ラテラル電界制御変調画素)
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Skew calibration circuits

DOM Pixels
320(H) x 120(V)Column-parallel Folding
Integration/Cyclic ADC

TOF 距離計測

計測対象

TOF range imager
主要技術4 参照光サンプリングによるジッタ低減

No. 7

直接TOF法と間接TOF法
Direct TOF measurements(Time-Correlated SinglePhoton Counting) → SPAD

Indirect TOF measurements(Time-Gated Detection)
ロックイン検出Time
Gate
Many electronics is required in unit pixel.
High pixel count is difficult
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Relatively simple structure

8間接TOF法- 連続駆動型(正弦波)- パルス駆動型

f

信号光のショットノイズが支配的な場合にはResolution
f:光源の変調周波数
PW: 光源のパルス幅
Shizuoka
University
Ns:
信号電子数
Imaging Devices Laboratory

No.9

間接TOF法- 連続駆動型(正弦波)- パルス駆動型

f

目盛りの数≒ √NS
測定可能範囲≒1/f or PW

分解能:σLf:光源の変調周波数
高分解能化のためには
PW: 光源のパルス幅
Shizuoka
Universityf→
高,PW→短,Ns→高Ns:
信号電子数
Imaging Devices LaboratoryNo.10

インパルス駆動によるTOF計測 高速電荷変調素子
4.2 um+ 3-tap LEFM w/ drain
Pinned PD- 短パルスレーザ(<100ps)を用いて、光電流応答から距離計測- 電荷変調速度を高めることで、高距離分解能化
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

No.11

No. 12クロック分配の技術
カラム並列Digital-DLLによるスキュー補正*BPD: Bang-Bang Phase Detector- 短パルス化した場合には、ゲートクロックの分配の遅延ばらつき（スキュー）の補正が必須- 列毎でのスキュー補正回路を集積化
12

試作チップ[1]と参照光サンプリング[1]K.Yasutomi, IISW2017

既知の基準固定面からの参照光の飛行時間との差分をとる
クロック入力ビーム
スプリッタ

クロック分配光源

ゲート駆動回路( 列並列 )

対象物
主画素アレイ

参照画素
アレイ

参照固定面

Shizuoka University
Imaging Devices LaboratoryTechnology: 0.11-um CIS
Pixel size& array: 22.4x67.2um
256 x 4 (192 x 4 eff.)
Laser: 473nm, 80 ps

距離計測結果の例
計測範囲: 25mm
誤差: +0.13mm/-0.23mm<1% FS
距離分解能:(w/o ref) 180 um(w/ ref) 64um(=時間分解能: 430-fs )Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

No. 14

性能比較
Spec.

JSSC
’11

ISSCC
‘120.13ISSCC’14[SU]
0.11

ISSCC’14[SU]
0.11

Technology[um]Pixel no.

0.18

80x 60480x360480x360

Pixel pitch
10[um2]
Wavelength
850[nm]Accumulation 50ms
time10Range
resolution@Measureddistance50mm
@1m

ISSCC
’18Work
[SU1]
0.11

480x
360

65nmBSI
1024x1024

1414

3.5

850

850

850860132x120 192x4(310x120 (256x8))
22.4
22.4x 67.2
473473

10ms

45ms

45ms

<33ms
(30fps)13ms/33ms

33ms

5mm
@1m

5.5mm 5.5mm@80cm @80cm

0.8mm 0.25
@40cm mm

0.06mmShizuoka University
Imaging Devices Laboratory@32mm

Thiswork[SU2]
0.11@25mm

取得した3D画像
w/o ref. (σ=180μm)

100枚平均Line imager : 192 x 4 eff. pixels
Φ20mm

w/ ref (σ=64um)

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

1 frameNo. 16

取得した3D画像
w/o ref. (σ=180μm)

100枚平均Line imager : 192 x 4 eff. pixels
Φ20mm

w/ ref (σ=64um)

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

100 frame

No. 17

50mm

3Dスキャン例

32mm
6個の点群データからメッシュを作成し、合成
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

2020/11/11

No. 18距離分解能の信号依存性

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

No. 19

新技術の特徴・従来技術との比較• 従来のTOF距離イメージセンサでは、数mm程度の距離分解能（精度）で計測用途には不十分であったが、提案する技術によって100µm以下の距離分解能を達成した。
• これにより、小型・高速・柔軟な測距レンジ調整（長WD）な3次元計測デバイスの実現が期待される。
• 今後、センサ内のジッタを改善することで10µm程度まで改善することが期待できる。
20

想定される用途• 非接触な3次元測定：工業計測、検査、リバースエンジニアリング、製造分野における検査• ロボットのセンシング、ロボットピッキングなど• 歯科用スキャナ、内視鏡など医療応用への発展も期待できる。

21

実用化に向けた課題• 現在はキーとなるイメージセンサの技術開発が主であり、原理検証が済んでいる段階。距
離分解能として、70µmまで実証済み。より高距離分解能化に取り組み中。
• 光学系などの簡素化• 計測ニーズに合わせたセンサ開発（画素サイズ、画素数など）• 現在は数100µWの光源を利用しているため、取得レートが遅い。高出力なレーザあるいは並列化によって、高速化を図る。
22

企業への期待• 具体的なニーズに向けた共同研究・開発
センサのカスタマイズにより新たな価値• 高出力な光源(~100ps程度の短パルス)23

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：距離計測装置• 出願番号：2013-100657(特許第6265346)
• 出願人
：静岡大学
• 発明者
：川人祥二、安富啓太
関連する発明• イメージセンサ, 特許第6501403, 静岡大学、川人祥二、安富啓太• 距離計測装置, 特開2020-003250, 静岡大学、安富啓太、川人祥二
24

お問い合わせ先
静岡大学
イノベーション社会連携推進機構
ＴＥＬ ０５３－４７８ － １７１８
ＦＡＸ ０５３－４７８ － １７１１
e-mail sangakucd@cjr.shizuoka.ac.jp

25