索尼新 ToF 传感器突破距离限制

信息来源：sooroo.com 时间： 2018-12-31 浏览次数：617

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丸子酱

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虽然谷歌的Tango手机项目失败了。但是Tango 的倒下，只是更多具备深度摄像头模组的手机进入市场的前奏。高通刚发布了Qualcomm Spectra™才没多久，索尼就发布了新的深度传感器DepthSense™ 系列。可见虽然Tango 心急了点没有吃到热豆腐，但心理惦记着这块豆腐的同学，还真不少。可见大厂们对趋势的判断还是比较一致的。

对于AR VR产品来说，识别手势、物体，检测障碍物等等功能，都离不开对深度信息的获取，而无论是手机，还是未来的眼镜设备，对深度传感器的要求，和找女朋友是差不多的。即希望女朋友的身材好，又不想她太花钱。而对于深度传感器来说，自然就是都需要深度传感器的体型不能大，功耗也要尽可能得低。

根据其发布的媒体通稿来看，这次发布的ToF 传感器，比之前的产品相比深度感应性能进一步提高，同时体积减少，仅为0.5英寸，并具有VGA分辨率。其中比较特别的是，这是首款采用Back-illuminated sensor 的TOF传感器产品。

Back-illuminated sensor 之前一直被用在低光安全摄像机和天文传感器这些专业领域。由于工艺复杂，所以一直没有进入民用领域，但是索尼大法好的口号绝不是随便叫的。在2009年，凭借这自己的新专利。索尼硬是把这项技术的价格杀到了消费者能够承受的级别。发布了Exmor 系列摄像头传感器。

与传统的前照式数码相机不同，传统的前照式相机，前方为透镜，后方为光电探测器。将数码相机图像传感器的有源矩阵（单个图像元素的矩阵）置于其前表面上并简化了制造。然而，由于矩阵及其布线反射了一些光，因此光电阴极层只能接收其余的入射光; 所以减少了可以被捕获的信号。

而背照式传感器虽然使用相同的元件，但是通过在制造时翻转硅晶片并且然后减薄其反面以使得光可以在不穿过布线层的情况下撞击光电阴极层而将布线布置在光阴极层后面。一下子就将输入光子被捕获的概率从60％左右提高到了90％。确保有效地接受反射光并且以高帧频执行测量距离所需要的处理，可以进一步增强精度。

除了背照式传感器这一索尼2009年积攒起来的技术外，索尼于2015年收购的Softkinetic Systems SA研发的电流辅助光子调节器（CAPD），也给这个产品添砖加了瓦。CAPD像素技术利用光线飞行时间并多次读取不同相位的信号，然后输出信号比率来转换为距离。

通常来讲，为了增强深度图的信噪比（SNR，是指一个电子设备中信号和噪声的比例），需要在像素内部放置多个读出电路，以精准读取不同相位的信号，从而可以精准计算出反射光的延迟，以及提高反射光信号的使用效率。深度测量精度还取决于使用更快的调制频率的能力。

为了满足这些要求，CAPD创建了一个动态电位梯度（电子传输斜率），并通过内部像素漂移电流进行高速传输，确保两个收集器之间的光电探测器能够高效、高速的将反射光转化为电子。从而更准确的的不同相位的信号。

内部像素漂移电流：与普通的图像传感器不同，该电流是由两个电极之间的电位差产生，而不形成耗尽层。

深度准确度由以下等式中所示的关系决定。

σ depth：测量距离的变化 Fmod：调制频率 Cmod：信号分布对比度

TOF像素一般在像素内部包含多个读出电路，因此前照式CMOS图像传感器中的光电探测器顶部的多个晶体管和电路干扰来自物体的反射光，导致测距精度的降低。

于是索尼将CAPD与其背照式CMOS图像传感器技术相结合，开发出了新型背照式TOF图像传感器，可以提高有效像素开口率。这种设计使得光吸收效率等同于15μm像素间距的前照式传感器的光吸收效率，但是使用的是具有10μm像素间距的背照式传感器。其结果就是更加紧凑的传感器，更精准的深度感测性能。较高的光收集效率也使得使用较少的光功率成为可能，这意味着功耗的降低和0.5英寸的传感器。

除此之外，随着采用了背照式设置，针对ToF传感器还优化了像素构造和像素内电路布局，加速了距离测量所需的相位差的检测。与传统方法相比，在保持相同反射光使用效率时，可以将调制频率加倍。因此，在相同距离下获得更加精准的深度图。