凸版印刷（株）は、子会社の（株）ブルックマンテクノロジと共同で、1～30mの範囲で距離を測定できる「ハイブリッド駆動ToF（Time of Flight）方式」（※1）による「三次元距離画像センサ（以下 3Dセンサ）」を開発した。これにより、従来主流となっている「間接ToF方式」による3Dセンサの5倍以上遠くまでの範囲で距離の計測が可能となり、センサを搭載することにより障害物を回避するなどの動きをする自律飛行ドローンや自律走行型搬送ロボットなどの操作性と安全性の向上に寄与する。
また、このハイブリッド駆動ToF方式による3Dセンサは、独自の外光ノイズ除去機能を搭載し、CMOS方式のイメージセンサとして世界で初めて（※2）真夏の日中に相当する照度10万ルクスの環境下で、最長20mまでの距離を測定できる。
この新方式によるToFセンサの技術内容は、2022年6月13日から米国・ホノルルで開催の半導体技術に関する国際学会「VLSIシンポジウム（正式名称：2022 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits）」（主催：米国電気電子学会）にて、2022年6月15日に、凸版印刷とブルックマンテクノロジおよび静岡大学により共同で発表された。
▮開発の背景
近年、スマートフォンやゲーム機の高機能化、産業用の自律走行ロボットなどの普及に伴い、3Dセンサの市場拡大が期待されている。3Dセンサには、距離検出原理の違いによりいくつかの方式があるが、発した光が反射されて跳ね返ってくるまでの時間を測り、対象物までの距離を推定する「ToF方式」は、近年の技術開発の進展に伴い、小型化、低消費電力という特長からスマートフォンを皮切りに採用が進んでいる
自律走行ロボットやドローンでは、数十m先の障害物を検知し、取得した映像から自分の位置を把握する「環境マッピング」機能が必要だが、従来主流となっている「間接ToF方式」の3Dセンサでは、屋外で使用する場合に十分な「外光耐性」が得られないことが、普及の障害となっていた。
凸版印刷は、ブルックマンテクノロジの子会社化を通じて、両社の保有する強みを活かし、新型の3Dセンサの開発を進めてきた。ブルックマンテクノロジが得意とする「ショートパルス駆動方式」（※3）を改良したハイブリッドなToF技術を新たに開発し、長距離測定性、高い外光耐性に加えて、高速撮像性と複数台の同時駆動を可能にした。
▮今回開発した新型ToFセンサの特長
➀ 30m先までの長距離測定が可能
ハイブリッドなToF駆動方式の採用により、既存機種より約5倍長い、30m先までの距離測定が可能となった。
➁ 真夏の屋外でも測定可能なノイズ除去機能
センサの画素一つひとつに外部光の成分を除去する機能を搭載した。これにより、外光のノイズを除去することができるため、真夏の日中程度である10万ルクスの外光下でも正確な距離測定が可能である。
③ 毎秒120枚の高速撮像
距離の測定と、外光ノイズ除去を1フレームで完結させることで、「測定エラー」の原因となるブレを発生させることなく距離を測ることが可能。これにより、従来機種より約4倍多く、1秒間に最大120枚の距離画像を取得することができる。
➃ 最大256台のカメラの同時駆動が可能
独自の制御法により、他のカメラが発する信号光を、外光と同じように除去できる。これにより、カメラ同士が干渉することなく、複数のカメラを同時に駆動できるため、最大で256台のカメラを同時に駆動することが可能。
▮今後の目標
凸版印刷とブルックマンテクノロジは、新方式によるToFセンサが自律型移動ロボットや産業機器などの可能性を高める新たな「眼」として普及することを目指し、さらに安全で便利な社会の実現に貢献していく。凸版印刷は、この新しいToF方式による距離センサを搭載したカメラの開発も進めており、評価用モデルの提供を2022年12月に開始し、2023年秋の販売開始を計画しているという。
※1 「ハイブリッド駆動ToF方式」とは、静岡大学・川人祥二教授により提唱されたToF計測法で、位相差によって距離を計測する「間接ToF方式」をベースに、時間差によって計測する「直接ToF方式」の機能を組み合わせた、新しいセンシング技術。「マルチタイムウインドウ技術」と呼ばれる、複数の短時間ウインドウの組み合わせにより光の往復時間を推定するため、従来の間接ToF方式と比較して、屋外でのセンシング時に問題となる外光ノイズの影響を受けにくいという特長がある。
※2 アバランシェフォトダイオードを用いない、従来のCMOSイメージセンサ型の画素構造を用いたToFセンサとして。先行技術論文および先行製品のカタログ調査に基づくTOPPAN 調べ（2022年6月）。
※3 「ショートパルス駆動方式」とは、連続波の光を出し続ける「コンティニアスウェーブ方式」とは異なり、非常に短い時間幅のパルス光を照射して測距を行う駆動方式。
ニュースリリースサイト(TOPPAN)：https://www.toppan.co.jp/news/2022/06/newsrelease220616_2.html