全球首款室外测距最长可达20米,为传统产品5倍以上的CMOS图像传感器
有望在自动飞行无人机等工业领域作为图像传感器和相机实现广泛应用

  • 凸版印刷株式会社
  • 株式会社Brookman Technology

  凸版印刷株式会社(总公司:东京都文京区,代表取缔役社长:麿秀晴,以下简称“凸版印刷”)与子公司株式会社Brookman Technology(总公司:静冈县滨松市,代表取缔役社长:青山聪,以下简称“Brookman Technology”)共同开发出一款采用“混合型(hybrid)ToF(光飞行时间)法”(※1)的“三维距离图像传感器(以下简称“3D传感器”)”。该款传感器可实现在1~30米范围内的距离测量,是目前主流的“间接ToF法”3D传感器测距范围的5倍以上。自动飞行无人机或自动运输机器人等通过配备传感器后,可避免与障碍物发生碰撞,有助于提升该类设备的可操作性和安全性。
  此外,该款采用混合型ToF法的3D传感器还配备了独家的环境光噪声消除功能,是全球首款(※2)可在相当于盛夏白天光照强度达到10万勒克斯(lux)环境下,实现最长20米室外测距的CMOS图像传感器。

新型ToF传感器相机样机
©Toppan Inc.

  6月15日,在美国火奴鲁鲁召开的半导体技术国际会议“VLSI 国际研讨会(全称:2022 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits)”(主办方:美国电气与电子工程师协会,会期:6月13日至17日)上,由凸版印刷、Brookman Technology 和静冈大学联合发表了该项新型ToF 传感器技术。

开发背景

  近年来,随着智能手机和游戏机功能的增强、工业自动驾驶机器人等的普及,3D传感器市场有望进一步扩大。根据距离检测原理的不同,3D传感器存在几种测距方式,而通过测量光线照射到被摄体并返回传感器所需的时间来估算相机到被摄体距离的“ToF法”,则随着近年技术发展的进步,以其小型化和低功耗等的特点而最先被智能手机所采用。
  自动驾驶的机器人和无人机需要配备“环境映射”功能,才能检测出几十米开外的障碍物并从捕获的图像中掌握自身所处的位置,而目前主流的“间接ToF法”3D传感器在户外使用时,由于其缺乏足够的“抗环境光”性能,因此阻碍了其进一步的普及应用。
  凸版印刷将Brookman Technology纳为子公司后,灵活发挥两家公司的优势,全面推动新型3D传感器的研发工作。通过改进Brookman Technology专长的“短脉冲驱动方式”(※3),成功研发出了全新的混合型ToF技术,不但具备远距离测量和优异的抗环境光性能,还实现了高速图像捕获和多台同时驱动的功能。

本次开发的新型ToF传感器的关键特性

➀ 可实现30m远距离测量
  通过采用混合型ToF驱动方式,可实现长达30米的远距离测量,约为现有机型的5倍。

新型ToF传感器的室内测距结果示例。在同一视野下,用不同颜色表示1米至30米的距离。
©Toppan Inc.

➁ 配备环境光噪声消除功能,可在盛夏的室外进行测量
  传感器的每个像素都配备了消除环境光成分的功能。因此,该传感器可以消除环境光噪声,即使是在盛夏白天光照强度达到10万勒克斯的环境下,也能够准确测量距离。

采用新型ToF传感器进行室外测距的结果示例。在同一视野下,用不同颜色表示1米至20米的距离。
©Toppan Inc.

③ 每秒120张的高速图像捕获功能
  通过在一帧内完成测距与消除环境光噪声,确保不会发生成像模糊而导致“测量误差”,实现精准测距。因此,1秒内最多可以捕获120张距离图像,大约是传统机型的四倍多。

➃ 最多可同时驱动256台相机
  采用独家控制方式,可以像消除环境光一样消除其他相机所发出的信号光。因此,可以同时驱动多台相机而不产生干扰,最多可以同时驱动256台相机。

今后的目标

  凸版印刷与Brookman Technology今后将致力于在自动驾驶机器人和工业设备等领域普及新型ToF传感器,给此类设备安装上这双可提升性能的全新“眼睛”,为实现更安全、更便捷的社会做出贡献。目前,凸版印刷正在研发相应的相机以搭载采用新型ToF法的距离传感器,并计划于2022年12月开始提供评估机型,在2023年秋季正式上市销售。
  凸版印刷预计在2025年度内,实现包括新型ToF传感器及搭载该类传感器的相机、以及相关周边订单在内的销售额约70亿日元的目标。

关于Brookman Technology

  Brookman Technology(原株式会社Brookman Lab)是由静冈大学电子工学研究所的川人祥二教授基于在文部科学省“滨松地区智慧集群创业”项目中的研究成果,将民营企业的经营管理经验与产品商业化技术相结合,于2006年2月成立的一家公司。此后,参与了多项CMOS集成电路、图像传感器、ToF传感器的研发和设计工作。2021年3月,凸版印刷收购该公司94.6%的股份,将其纳为旗下子公司。

关于凸版印刷

  凸版印刷是一家在印刷、通信、安防、包装、装饰材料、电子和数字转型领域提供综合解决方案的全球领先供应商。我们的全球团队拥有超过50,000名员工,为各个行业的客户提供由行业领先的专业知识和技术结合的最佳解决方案,以应对企业和社会在当今瞬息万变的市场中所面临的各种挑战。
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※1 “混合型ToF法”是指通过静冈大学川人祥二教授提出的ToF测量法,在采用相位差测距的“间接ToF法”的基础上,结合了用时间差测距的“直接ToF法”的功能而产生的一项新型传感技术。由于此项技术通过组合多个短时间窗口,即所谓的“多时间窗口技术”,来估算光的往返时间,因此与传统的间接ToF法相比,具有在室外测距时不容易受到环境光噪声影响的特性。
※2 作为不使用雪崩光电二极管而是采用传统CMOS图像传感器像素结构的ToF传感器,基于本公司针对现有技术论文及现有产品目录调查得出的结果(截至2022年6月)。
※3 “短脉冲驱动方式”是指与持续发射连续波激光的“连续波法”不同,通过照射时间宽度极短的脉冲激光来进行测距的驱动方式。
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