計測分野へ向けた高精度な距離・形状測定を実現するTOF距離イメージセンサ

1. はじめに

Time-of-Flight(TOF)距離イメージングは,光源から発せられた光が対象物で反射し,イメージセンサに返ってくるまでの飛行時間を計測することで,既知である光の速度を基に距離を算出する手法である(図1)

近年,ジェスチャ認識による機器制御やAR/VRなどへの応用に向けて,TOF距離撮像デバイスへの期待が高まっている。特に,ロックイン画素を用いた間接TOF法に基づく距離撮像デバイスは,画素構成が簡単で多画素化に有利で,活発に開発が進められている1~10)。著者らは,単一フレーム内の背景光除去による動きにロバストなTOF距離撮像素子5)や広い測距レンジと高距離分解能化の両立するためのマルチタップ変調素子によるレンジシフト動作11, 12),高速電荷変調と多画素化に適したビルトイン電界型変調素子13),屋外長距離用途向けの高い量子効率を実現するSOI型4タップロックイン画素14)など,様々なTOF距離撮像素子の開発を進めてきた。

図1 TOF距離イメージング
図1 TOF距離イメージング

本稿では,計測分野を目的とした分野へ応用可能な100µmを超える極めて高い距離精度を実現するTOF距離撮像素子についての開発を紹介する。TOF距離イメージングは他の3次元計測にはない様々な特長があるが,距離精度は劣っているというのが一般的な認識である。光は1秒間に約300,000 km進む― 1nsの違いを計測できても,距離にして15cmの刻みが測定できたことにしかならないからである。我々は,このイメージを払拭し,新たなTOF距離撮像素子の応用を切り拓きたいと考えている。

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