招待論文
イメージセンサ技術
須川
成利
†a)Image Sensor Technologies
Shigetoshi SUGAWA
†a)あらまし 固体撮像素子の代表格であるCCD イメージセンサ及び CMOS イメージセンサの発展の基礎と なった重要な技術をまとめ,今後のイメージセンサ技術の展開について論じる. キーワード CCD,CMOS,イメージセンサ
1.
ま え が き
センサとは,自然界に存在する物理量を検出して,
電気信号(電荷,電流,電圧など)に変換するデバイ
スのことを指す.センサの中でも,光を検出して画像
信号を取得するイメージセンサは,今日では,スマー
トフォンやディジタルカメラなどの民生機器だけでな
く,防災,防犯,科学・産業計測,車載,医療,生命
科学,農業,食品,材料,資源,宇宙,環境などの分
野において,広く利用されるようになった.この
100
年余の間に,イメージセンサの性能・機能は,電子情
報通信分野の技術の飛躍的な発展の恩恵を受け,大い
に向上した.現在,イメージセンサ技術は,物理限界
に近い性能を極めつつあり,人が静止画や動画を観賞
する目的にとどまらず,人の目で捉えることのできな
い,微弱・微細・広光波長・高速な画像信号を計測・
記録・解析する用途への応用が拡大している.
この度,学会創立
100
周年記念特集号の執筆という
機会をいただき,稽古照今の想いで,先達の業績を改
めて勉強させていただいた.イメージセンサの研究開
発に高々
35
年ほど従事してきただけの筆者にとっては
重責ではあるが,本論文において,現在主力となって
いるイメージセンサの二つの方式,すなわち固体撮像
素子の代表格である
CCD
(
Charge Coupled Device
)
イメージセンサ及び
CMOS
(
Complementary Metal
†東北大学大学院工学研究科,仙台市
Graduate School of Engineering, Tohoku University, 6–6–11 Aramaki Aza Aoba, Aoba-ku, Sendai-shi, 980–8579 Japan a) E-mail: [email protected]
Oxide Semiconductor
)イメージセンサを支えている
重要な技術の原点と性能をまとめ,また,今後のイ
メーセンサ技術について論じたいと思う.
2.
イメージセンサを支える重要技術
イメージセンサ技術の歴史については文献
[1]
∼
[27]
に優れた解説がなされている.概説すると,
19
世紀
に発見・発明された撮像の基本原理である光電変換,
画素アレー,信号走査読み出しを基に,
20
世紀に入
り,約
30
年間の機械走査撮像の時代を経て,
1930
年
頃から様々な撮像管が開発された後,
1960
年代に入
り固体撮像素子が提案されている.日本では,高柳
が
1926
年にニポー円盤で画像を走査して高速電子回
路で映像を作り,雲母板に書いた「イ」の字を世界で
初めてブラウン管上に表示することに成功し,電子
映像の時代を切り拓いた
[28]
.
CCD
及び
CMOS
イ
メージセンサの原型が発明されたのは
1960
年代で
ある
[29], [30]
.また
1967
年には,テレビジョン学会
(現:映像情報メディア学会)に固体画像変換装置研
究委員会(現:情報センシング研究委員会)が設置さ
れ,本格的な固体撮像素子の研究討論が開始されてい
る.その後を
10
年ごとに特徴付けると,
1970
年台は
米国を中心とした固体撮像素子の基礎技術の提案の時
代,
1980
年台は日本が先陣となった
CCD
イメージセ
ンサの製品実用化と
CCD
に代わる新たなイメージセ
ンサ技術への挑戦の時代,
1990
年台は
CCD
の普及と
CMOS
イメージセンサの登場の時代,
2000
年台は高
画質
CMOS
イメージセンサの実用化を契機とした主
役の交代(
CCD
と
CMOS
の出荷個数が逆転したの
図 1 センサ技術の位置付けを表すユニバーサルモデル図 (文献 [31] に筆者加筆)
Fig. 1 Sensing technology universal model.
図 2 ディジタルカメラの基本構成の一例 Fig. 2 Basic components of a digital camera.
は
2004
年から
2005
年にかけてである)と飛躍的普
及の時代,
2010
年台は
CMOS
イメージセンサの高性
能化・高機能化と
“sensor everywhere”
と称される大
展開の時代といえる.
図
1
は,イメージセンサ技術の位置付けをやや抽
象化して表現したユニバーサルモデル図である
[31]
.
いつの時代も変わりなく,イメージセンサは,
Real
World
から画像信号を切り出し電子機器に取り込む役
割を担っている.図
2
には,一つの具体例として現在
のディジタルカメラの基本構成の例を示す.イメージ
センサは,現在,マイクロレンズアレー,カラーフィ
ルタアレー,画素アレー,ゲインアンプ,ノイズ補正,
AD
変換,一部の信号処理と駆動制御,メモリなどが
集積され構成されている.次に,
CCD
イメージセン
サと
CMOS
イメージセンサの構造とそれを支える重
要技術を説明する.
2. 1 CCD
イメージセンサ
図
3
に,
CCD
イメージセンサの基本構成を示す
[1]
.
現在よく使われているのは,
(a)
フレームトランスファ
(
FT
)方式,
(b)
インターライントランスファ(
IT
)方
図 3 CCDイメージセンサの基本構成.(a) フレームト ランスファ(FT) 方式,(b) インターライントラン スファ(IT) 方式,(c) フレームインターライントラ ンスファ型 (FIT) 方式Fig. 3 Basic configurations of CCD image sensors.
式,
(c)
フレームインターライントランスファ(
FIT
)
方式の
3
種類である.
(a)
の
FT
方式は,構造が簡単
なことから,
CCD
イメージセンサの中で最初に開発
された方式で,
CCD
構造の受光アレーで光電変換,
電荷蓄積を行った後,
CCD
構造の蓄積部に電荷転送
し,水平
CCD
レジスタを介して電荷電圧変換出力か
ら電圧信号を出力する.
(b)
の
IT
方式は,
PN
ダイ
オード(
PD
)で光電変換と電荷蓄積を行い,
PD
のす
ぐ脇を貫く垂直
CCD
レジスタで電荷転送を行うもの
で,チップサイズを小さくできることから民生用で大
いに使用されている.
(c)
の
FIT
方式は,受光領域と
水平
CCD
の間に蓄積部を設けた形になっており,明
るい被写体を撮影したときに縦筋状に白飛びするスミ
アと呼ばれる現象を低減した性能が要求される分野で
用いられている.図
4
は,
IT-CCD
イメージセンサ
の画素部と最終段電荷電圧変換部の概略断面構造図で
ある.図では省略しているが
PD
上には画素ごとにカ
ラーフィルタとマイクロレンズが形成される.
現在の
CCD
イメージセンサを支える主な重要技術
は
[7], [20]
,
CCD
レジスタをイメージセンサに適用し
た最初の報告
[32]
,マイクロレンズによる集光
[33]
,赤
1
色,緑
2
色,青
1
色の
2
× 2
画素を単位とするカラー
フィルタ
[34]
,
PN
ダイオードによる光電変換
[35]
,感
度向上のための一定時間の電荷蓄積
[36]
,埋め込みフォ
トダイオードによる暗電流抑制と電荷完全転送
[37]
,
ブルーミング現象を抑制する縦型オーバーフロードレ
イン
[38]
,
CCD
レジスタによる電荷転送
[29]
(その
基となるのはバケツリレー電荷転送
BBD
構造
[39]
),
図 4 IT-CCDイメージセンサの概略断面構造図.(a) 画 素部,(b) 最終段電荷電圧変換部
Fig. 4 Schematic cross sectional views of IT-CCD image sensors, (a) Pixel part, (b) Charge-to-voltage conversion part.
低容量のフローティングディフュージョン(
FD
)を用
いた電荷電圧変換出力回路
[40]
,
FD
部をリセットし
た際に発生する熱ノイズ(リセットノイズと呼ぶ)を
除去する相関
2
重サンプリング法(
CDS
)
[41]
などで
ある.
2. 2 CMOS
イメージセンサ
次に,図
5
に
CMOS
イメージセンサの基本形の画
素の等価回路図と概略断面構造図を示す.
(a)
は
3T
型と呼ばれる方式であり,
PD
とリセットトランジス
タ(
R
),ソースフォロアトランジスタ(
SF
),画素選
択トランジスタ(
X
)の三つのトランジスタからなる.
PD
は
MOS
トランジスタのソースの
PN
接合を広げ
た形をしている.この方式では,光照射時に
PD
端子
に現れる蓄積光電荷量に比例した信号電圧を
SF
を介
して出力する.
PD
が埋め込み構造ではないので,暗
電流が大きく,光電変換感度も低く,また,次の蓄積
動作に入る前に
R
をオン・オフして
PD
を一定電位に
リセットしたときのリセットノイズが残留し
S/N
比
が悪くなる.この方式は
CMOS
の標準製造プロセス
で簡単に作成できるという売り文句で米国を中心に
90
年代から開発が始まったが,このリセットノイズの残
留により
CCD
に比べると画質が悪く,主流のカメラ
用イメージセンサには性能が不足しており
PC
周辺機
器や玩具などで使用されるに留まっていた.
(b)
は
4T
型と呼ばれる方式であり,画素は埋め込み
PD
,
FD
と転送トランジスタ
T
,
R
,
SF
,
X
の
4
トランジスタ
からなる.
CCD
イメージセンサの
PD
部と
FD
電荷
図 5 CMOSイメージセンサ画素の等価回路図と概略断 面構造図.(a) 3T 型,(b) 4T 型Fig. 5 Equivalent circuit diagrams and schematic cross sectional views of pixels of CMOS im-age sensors, (a) 3T Type, (b) 4T Type.
図 6 CCDと CMOS イメージセンサの主なノイズ成分 Fig. 6 Noises of CCD and CMOS image sensors.
電圧変換出力回路を合体して画素を構成した形になっ
ている.
4T
型では,
T
をオフにして
PD
で受光・蓄
積動作を行い,
R
をオン・オフして
FD
に残留したリ
セットノイズ電圧を読み出し,その後
T
をオンして
PD
に蓄積された信号電荷を
FD
に転送し先のノイズ
電荷と重ねて,ノイズ
+
信号電圧を読み出す.この二
つを差し引く
CDS
動作を行い信号電圧を得ることで,
高
S/N
比の映像信号を得ることができる.
図
6
に
CCD
と
CMOS
イメージセンサの主なノイ
ズ成分の周波数特性の概要を示す.
CCD
イメージセ
ンサにおいては,画素から出力段までの間に混入する
ノイズは極小であり,数
10 MHz
の帯域で信号を点順
図 7 CMOSイメージセンサの基本構成.(a) 画素 PD か ら走査回路 SC により点順次にアナログ信号を出力, 別チップにアナログフロントエンド AFE と AD 変 換器 AD をもつ,(b) 出力段にオンチップ AD をも つ,(c) 列ごとに AD をもつ,(d) 列ごとに AFE を もったセンサチップと AD・信号処理 SP を搭載し たチップを積層する,(e) 画素ブロックごとに AD・ SPをもつ,(f) 画素ごとに AD・SP をもつ((e)(f) は積層構造も含む)(文献 [5] に筆者加筆) Fig. 7 Basic configurations of CMOS image sensors.
次に読み出す出力段及び
CDS
回路で発生するアンプ
ショットノイズが主なノイズ源となる.
CMOS
イメー
ジセンサにおいては,画素で発生する熱ノイズ(リセッ
トノイズ)
,読み出し回路系で発生する
1/f
ノイズ,及
びアンプショットノイズが主なノイズ源となるが,
4T
型を用いて列ごとに
MHz
オーダの帯域で
CDS
動作
を行えば,ノイズを極小化することができる.ただし,
画素内に四つのトランジスタと埋め込み
PD
を置くこ
とから,
4T
型を利用して民生製品のイメージセンサ
で求められる画素サイズを実現するには,半導体微細
化技術が
0.35
∼
0.25
µm
に達する
1990
年台を待たね
ばならなかった.また,現在では,図
6
に破線で示す
画素
SF
トランジスタで発生するランダムテレグラフ
ノイズ(
RTN
)の影響が,感度の向上とトランジスタ
サイズの縮小により,顕在化している
[42]
.
図
7
に,
CMOS
イメージセンサの基本構成を示
す
[5]
.
CMOS
イメージセンサは,画素を
X
方向・
Y
方向に設けた走査回路(
SC
)によって選択すること
から
XY
アドレス型,または,画素内にアンプ回路を
設置していることから増幅型(アクティブピクセル型
とも呼ぶ)に分類される.
(a)
は画素
PD
から走査回
路
SC
により点順次にアナログ信号を出力し,別チッ
プにアナログフロントエンド(
AFE
)と
AD
変換器
(
AD
)をもつ構成,
(b)
は出力段にオンチップ
AD
を
もつ構成,
(c)
は列ごとに
AD
をもつ構成,
(d)
は列
ごとに
AFE
をもったセンサチップと
AD
・信号処理
(
SP
)を搭載したチップを積層する構成,
(e)
は画素
ブロックごとに
AD
・
SP
をもつ構成,
(f)
は画素ごと
に
AD
・
SP
をもつ(
(e)(f)
は積層構造も含む)構成
である.人間が観賞する画質を追求してきたカメラ用
途では,
(a)
の構成から始まり,
(b)(c)
を経て,現在
では
(d)
が量産,
(e)
が開発段階として進化を続けて
いる.一方,ロボットや機器画像入力で
1000
枚
/
秒
程度の高速なフレームレートの画像を扱う用途では,
(f)
の構成から開発が始まっている
[43]
.
CCD
イメー
ジセンサと
CMOS
イメージセンサの画質を比較する
と,
(a)(b)
の構成では,
CDS
動作の帯域が数
10 MHz
と
CCD
と同等にあったため,両者の
S/N
比は同等
であったが,
(c)
以降の構成からは,
CDS
動作の帯域
が
MHz
オーダに下がり
CMOS
の方が
CCD
よりも
S/N
比が良く高画質になっている.
現在の
CMOS
イメージセンサ技術は,
CCD
イメー
ジセンサの重要技術の上に成り立っている.それ以外
の重要技術を挙げると,増幅型の原形となる
XY
アド
レスパッシブ型
MOS
イメージセンサ
[30], [44]
,
3T
型
の原型となる
AMI
イメージセンサ
[45]
(他に増幅型に
は
SIT
,
CMD
,
BASIS
,
BCAST
などがあった
[6]
),
画素からリセット後のノイズ信号と蓄積後の光信号を
読みそれらの差分演算を行い高
S/N
比信号を得る増
幅型イメージセンサ
[46]
,フォトゲート型の
PD
をも
つ
4T
型
CMOS
イメージセンサ
[47]
,埋め込み
PD
をもつ
4T
型
CMOS
イメージセンサ
[48]
,ディジタル
一眼レフカメラ用高画質
4T
型
CMOS
イメージセン
サ
[49]
,画素サイズを縮小化する画素共用化技術(
[10]
に解説),列に設置した
AFE
・
AD
変換技術(
[50]
に
解説),感度と光入射角特性を向上させ画素設計の自
由度を高める裏面照射構造
[51]
,高機能・小型・低消
費電力などを実現する積層構造
[52]
などである.
筆者は,
1982
年からバイポーラトランジスタ増幅型
イメージセンサ
BASIS
技術を用いたオートフォーカ
スセンサ,イメージセンサなどの製品開発に従事して
いたが,その際,電子と正孔の再結合が確率的にゆら
ぐことがバイポーラ型で
S/N
比が上げられない原因
であることを実験的に見出し,もしもバイポーラトラ
ンジスタを
MOS
トランジスタに置き換えられればバ
イポーラで課題となっていた再結合ノイズを原理的に
排除でき,更に埋め込み
PD
,
FD
を画素に入れ,画
素レベルで
CDS
ノイズ除去を行えれば,
CCD
イメー
ジセンサを上回る
S/N
性能をもったイメージセンサ
を実現できるという着想を得ていた.その後,
90
年代
に入り「
CMOS
で
CCD
を凌駕できる」時代が来た
と経営陣を説得し,多くの関係者・仲間達の努力のも
と,
0.35
∼
0.25
µm
の半導体製造技術を導入し,
2000
年に世界で初めてディジタル一眼レフカメラ用高画質
4T
型
CMOS
イメージセンサ
[49]
の製品化に成功し
た
[15], [16]
.当時,
CMOS
イメージセンサの画質は
CCD
には及ばないという常識の中で,画質に対する
要求が最も厳しい一眼レフカメラにそれを搭載したこ
とから大いに話題を集めた
[15]
.その後,
2004
年のア
テネオリンピックで報道プロカメラマンの
9
割以上が
開発した
CMOS
イメージセンサを搭載したカメラを
使用しているという記事
[53]
を見たときには,ようや
く
CMOS
が認められたという技術者冥利に尽きる感
慨を味わった.こうした経験は,技術開発においては,
常に,原理原則を突きつめ,現状の問題・限界の原因
を明らかにし(目の前にある課題の中にこそ将来につ
ながる新しい種がある),次のコアとなる技術を産み
育て,協力者を得て,機が来たら果敢に勇気と責任を
もって行動することが,きわめて重要であることを教
えてくれた.
2. 3
現在のイメージセンサの性能
現在のイメージセンサ技術の到達点を主な基本性
能としてまとめると,画素サイズ:約
1
µm
角(フラ
ウンホーファ回折の第
1
半径(エアリーディスク)以
下)
,量子効率:ほぼ
100%
(入射フォトンをロスなく
電子・正孔対に光電変換),暗時ノイズ:
0.4
電子程度
(フォトンカウンティングレベルのノイズまであと
1/2
程度),光波長帯域:
190 nm
∼
1100 nm
(下限は空気
吸収,上限はシリコンのバンドギャップで決まる)
,飽
和・ダイナミックレンジ:同時露光で
100 dB
超,多重
露光で
140 dB
超(人間の目を超える)
,速度:フレー
ムレート
1000
万コマ
/
秒超(チップ内信号伝送速度と
配線材料の信頼性が律速)などとなる.
現在のイメージセンサは,個々の性能では,このよ
うに物理限界に近い性能を極めつつあるが,全ての性
能を兼ね備えたイメージセンサは未だ実現されていな
図 8 イメージセンサの基本性能Fig. 8 Fundamental performances for image sensor.
い.それは,基本性能の間にトレードオフ関係がある
ことによる.トレードオフとは,一方の性能を上げよ
うとするともう一方に課題が生じることを意味する.
イメージセンサの基本性能をトレードオフ関係にある
ものを対角に並べて図示すると図
8
のようになる.こ
れらのトレードオフ関係を解消する技術を開発してい
くことが,イメージセンサの更なる基本性能向上への
指針となる.
筆者らは,こうした状況に鑑み,現在,
S/N
比,ダ
イナミックレンジ(
DR
),速度,光波長帯域などの基
本性能を,製品を実用化して真の課題をフィードバッ
クしつつ,材料・プロセス・デバイス技術の原理段階
から追及している.図
9 (a)
は,開発した高感度・広
DR CMOS
イメージセンサを用いた微弱光下から高
照度光下の撮影例である.このイメージセンサは,横
型オーバーフロー蓄積容量(
LOFIC
)を画素内に設け
ることで,同一露光動作における高感度化と高飽和信
号化の原理的なトレードオフを解消している
[54], [55]
.
LOFIC
技術を用いることで,飽和性能を犠牲にせず
に
FD
容量を極小化でき,室温で
1
光子を検出でき
るレベルの高感度性能と
10
万電子程度の高飽和性能
を両立することに成功している
[56]
.図
9 (b)
は,開
発した超高速
CMOS
イメージセンサを用いて
2000
万コマ
/
秒の速度で撮影したプラスチック球の打ち込
み時にガラスに生じた亀裂進展の様子である.この
イメージセンサはチップ内に記録コマ数分のメモリを
設置し,撮影中はチップ内部に映像信号を高速に記録
し,撮影後にチップ外部に読み出す方法をとることに
よって,外部回路による速度制約を受けない超高速の
撮影性能を達成している
[57], [58]
.このイメージセン
サにより,材料,生命科学,機械,電子,航空宇宙な
どの研究開発現場で,今までに見ることのできなかっ
た様々な超高速現象を可視化することに成功している.
図 9 (a)高感度・広 DR CMOS イメージセンサを用い た微弱光下から高照度光下の撮影例,(b) 超高速 CMOSイメージセンサを用いて 2000 万コマ/秒 の速度で撮影したプラスチック球の打ち込み時に ガラスに生じた亀裂進展の様子,(c) 広光波長帯域 CMOSイメージセンサを用いたタンポポの分光撮 影の例
Fig. 9 (a) Images captured with high sensitivity and wide DR CMOS image sensor, (b) Images cap-tured with Ultra high speed CMOS image sen-sor, (c) Images captured with wide spectral CMOS image sensor.
図
9 (c)
は,開発した広光波長帯域
CMOS
イメージセ
ンサを用いたタンポポの分光撮影の例である.このイ
メージセンサは,波長約
190
∼
1100 nm
の広い光波長
帯域に高い感度をもち,かつ長期間の紫外光照射に対
する感度劣化と暗電流増加を抑制した高い信頼性を有
する
[59], [60]
.この技術は,科学計測や生体,農作物
などの分光イメージング装置などに利用できる.
3.
今後のイメージセンサ技術
現在,国内外の様々な機関でイメージセンサの研究
開発が活発に行われるようになっている.図
10
に,イ
メージセンサ技術の今後の応用展開分野の例を示す.
イメージセンサの出荷数量は,
2020
年には,スマー
トフォンやディジタルカメラなどのカメラ用途で使用
される数量を,その他の分野で使用される数量が上回
ると予想され,更に今後の
30
年間で
10
倍以上の出荷
量に増加すると推算されている
[61]
.
図 10 イメージセンサ技術の応用展開分野 Fig. 10 Various application fields of image sensortechnologies.
図 11 積層型イメージセンサの構成 Fig. 11 Structure of future stacked image sensor.
そのような中で,イメージセンサの構造は,今後,
微細なバンプ接続や
Through-Silicon Via
(
TSV
)
,金
属配線直接接続などの実装技術の発展により,図
11
に示すような,センサ,
AD
変換,信号処理・駆動制
御,メモリなどのチップが列単位や画素ブロック単位,
一画素単位で
3
次元方向に接続された積層構造に進化
していくことが予測される
[62]
.積層構造により,そ
れぞれのチップを最適なプロセス技術を用いて製造で
きる,信号や電源の経路の長さの短縮と信号の並列処
理によって高速化・低消費電力化できる,モジュール
の小型化ができるなどの長所が発現できる.更に積層
構造では,
3T
型
CMOS
イメージセンサでも画素ノイ
ズ除去技術
[63]
などが適用しやすいことから,シリコ
ン以外の材料を用いたセンサを組み合わせても高
S/N
化できる道が拓け,シリコンでは達成できなかったよ
り広範囲な分光感度をもつイメージセンサを実現する
こともできる.また,センサ部は
CCD
を用いても構
成できることから,電荷加算,グローバルシャッタ,低
RTN
などの
CCD
の利点を活かしたイメージセンサ
が発展する可能性もある.更に,センサ部にフォトン
カウンティング技術
[22]
を搭載すれば,ノイズを増加
させないで高フレームレートの読み出し動作を繰り返
して信号を積算することで感度とダイナミックレンジ
性能を向上させるといった新しいアーキテクチャも生
かせる.
一方で,イメージセンサ技術は,半導体プロセス・
デバイス・回路・ソフトウェア・オプティクス・実装
技術の領域にまたがる総合システム技術を結集し,今
までにない新規なイメージセンサを実現することも可
能になり,物理的な理論検討,回路システム設計はも
とより,基幹となる材料・プロセス・デバイス・設計・
ソフトウェア・計測評価技術が総合的に革新されてい
くであろう.例えば,ファンクショナル・アパーチャ,
マルチ・アパーチャ,レンズレス光学系,画像処理,
実装も含めたシームレスな技術融合を行った多機能な
カメラ,人間が観賞することにはとらわれない分光・
認識・距離計測などの機能をもつ高性能な画像入力装
置などは,それほど遠くない将来に実現されていくと
思われる.
また,極限性能の追求と連動して,今後更に進化し
ていくイメージセンサ技術は「見る世界」を根本から
変えると同時に,既存市場の付加価値向上と,新規市
場の創造展開により,研究開発及び産業競争力の強化,
予防医療,先進農業,機器設備・環境保全などの発展,
豊かで安全・安心な社会の実現に向けて大きく貢献す
ると期待される.
4.
む す び
自分で作ったイメージセンサが動き絵が出ると研究
室の学生達は涙を流して喜ぶ.いつの時代にもこんな
純粋な感動を味わわせてくれるのがイメージセンサ技
術である.
新しい発想・着想は,その時点で,大抵の場合,将
来コアになるものかどうかを見極めることは難しい.
原理原則的に正しい発想・着想であっても,それでも,
無理だと思われたり,事業的意義は高くないと判断さ
れたりするのは,その時点で,使用できる技術,とり
まく環境・社会情勢,すなわち境界条件に左右される
ことになる.換言すれば,境界条件が変われば(変え
れば)よい技術となり得る.ここに取り上げた技術が
イメージセンサ
100
年余の歴史を支える全てではない.
限られた紙面の中で,ほんの一部の技術にしか言及で
きなかったことをお許しいただきたい.最初は個人の
優れた着想から始まった技術であったかもしれないが,
境界条件を変えるべく,実用化までの多くの人たちの
ぎりぎりまでの努力の積み重ねがあり,それらがまた
次の着想につながり更なる製品普及のスパイラルを生
み出してきたからこそ,今日の大きな発展に至ったと
実感している.
イメージセンサは,近い将来に到来する生体レベル
から宇宙を含む地球規模のセンサ・ネットワーク社会
で中心的な役割を担うデバイスとなる.イメージセン
サ技術は,今後更に加速的に進化し,豊かで安全・安
心な生活・環境を提供し,未来を切り拓いていく原動
力となると確信する.
文
献
[1] 谷川 紘,織田英嗣,“固体撮像技術とその応用 2. CCD 素子,”テレビ誌,vol.40, no.11, pp.1060–1066, Nov. 1986.[2] 竹本一八男,“固体撮像技術とその応用 3. MOS 型素子,” テレビ誌,vol.40, no.11, pp.1067–1072, Nov. 1986. [3] 南雲文男,“固体撮像技術とその応用 5. カメラ応用,”テ
レビ誌,vol.40, no.11, pp.1079–1085, Nov. 1986. [4] 安藤隆男,“固体撮像技術とその応用 7. 将来展望,”テレ
ビ誌,vol.40, no.11, pp.1093–1097, Nov. 1986. [5] 松長誠之,“CMOS イメージセンサ技術,” 信学技報,
ICD-159, Sept. 1999.
[6] 木内雄二,“20 世紀の撮像・センシング技術の進展,”映 情学誌,vol.54, no.2, pp.136–140, Feb. 2000. [7] 寺西信一,“20 世紀の固体撮像技術の進展を支えた 10 の
業績,”映情学誌,vol.54, no.2, pp.141–147, Feb. 2000. [8] 須川成利,“CMOS イメージセンサ技術,” 信学技報,
EID2000-190, Nov. 2000.
[9] A. Theuwissen, “50 years of Solid-State Image Sen-sors at ISSCC,” Dig. Tech. Papers, 2003 IEEE ISSCC, S26, Feb. 2003.
[10] 高橋秀和,“CMOS イメージセンサにおける画素縮小化技 術,”映情学誌,vol.60, no.3, pp.295–298, March 2006. [11] 須川成利,“広ダイナミックレンジイメージセンサの最新動 向,”映情学誌,vol.60, no.3, pp.299–302, March 2006. [12] J. Nakamura Ed., Image Sensors and Signal Process-ing for Digital Still Cameras, Taylor & Francis, New York, 2006.
[13] B. Pain, “Noise at device level,” IEEE ISSCC Forum F4: Noise in Imaging System, Feb. 2007.
[14] S. Kawahito, “Noise at circuit level,” IEEE ISSCC Forum F4: Noise in Imaging System, Feb. 2007. [15] 泉 達郎,“デジタル一眼レフカメラの歴史と発展,”映情
学誌,vol.61, no.3, pp.266–270, March 2007. [16] 加藤得三,“デジタル一眼レフカメラ用 CMOS イメー
ジセンサ,”映情学誌,vol.61, no.3, pp.271–274, March 2007.
[17] J.R. Janesick, Photon Transfer DN→λ, SPIE Press, Washington, 2007.
[18] 竹内裕夫,CCD・CMOS カメラ技術入門,コロナ社,東 京,2008.
像素子の開発秘話から最先端技術まで,”工業調査会,東 京,2008. [20] 黒田隆男,“イメージセンサの世界における日本—日本が 果たしてきた役割と歴史から学ぶこと,”映情学誌,vol.65, no.3, pp.336–341, March 2011. [21] 越 智 成 之 ,“CCD 誕 生 40 周 年—黎 明 期 ,” 映 情 学 誌 , vol.65, no.5, pp.691–697, June 2011.
[22] P. Seitz and A.J.P. Theuwissen ed., Single Photon Imaging, Springer, Heidelberg, 2011.
[23] 須川成利,“CMOS イメージセンサにおける高速化技術 の動向,”映情学誌,vol.66, no.3, pp.174–177, March 2012.
[24] 黒田隆男,イメージセンサの本質と基礎,コロナ社,東京, 2012.
[25] S. Sugawa, “Ultra-high-speed imaging,” IEEE ISSCC Forum F4: Scientific Imaging, Feb. 2013.
[26] E.R. Fossum and D.B. Hondongwa, “A review of the pinned photodiode for CCD and CMOS image sen-sors,” IEEE J. Electron Devices Society, vol.2, no.3, pp.33–43, March 2014.
[27] 須川成利,他,“情報センシング技術の最新動向,”映情学 誌,vol.70, no.4, pp.609–622, July 2016.
[28] 高柳健次郎財団,
http://takayanagi.or.jp/sub/takayanagi.html [29] W.S. Boyle and G.E. Smith, “Charge coupled
semi-conductor devices,” Bell Syst. Tech. J., vol.49, no.4, pp.587–593, April 1970.
[30] P.J.W. Noble, “Self-scanned silicon image detector arrays,” IEEE Trans. Electron Devices, vol.ED-15, no.4, pp.202–208, April 1968.
[31] D. Robertson, “The past, present, and future of data converters and mixed signal ICs: A “Universal” model,” Sym. VLSI Circuits, pp.2–5, June 2006. [32] M. Tompsett, G. Amelio, and G. Smith,
“Charge-coupled 8-bit shift register,” Appl. Phys. Lett., vol.17, no.3, pp.111–115, Sept. 1970.
[33] Y. Ishihara and H. Tanigaki, “A high photosensitiv-ity IL-CCD image sensor with monolithic resin lens array,” IEEE IEDM, pp.492–500, Dec. 1983. [34] B.E. Bayer, “Color Imaging Array,” USP3971065,
March 1975出願.
[35] E. Kingsbury and R. Ohl, “Photoelectric properties of ionically bombarded silicon,” Bell Syst. Tech. J., vol.31, pp.802–815, July 1952.
[36] G.P. Weckler, “Operation of p-n junction photode-tectors in a photon flux integrating mode,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.SC-2, no.3, pp.65–73, Sept. 1967.
[37] 寺西信一,河野明啓,織田英嗣,新井浩一,石原保雄, “p+np-構造フォトダイオードを用いた IL-CCD の残像 特性,”テレビ全大,pp.45–46, June 1981.
[38] Y. Ishihara, E. Oda, H. Tanigawa, N. Teranishi, E. Takeuchi, I. Akiyama, K. Arai, M. Nishimura, and T. Kamata, “Interline CCD Image Sensor with an Anti-Blooming Structure,” IEEE ISSCC, pp.168–169, Feb.
1982.
[39] F. Sangster and K. Teer, “Bucket-brigade electron-ics: New possibilities for delay. Time-axis conversion and scanning,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.SC-4, no.3, pp.131–136, June 1969.
[40] W.F. Kosonocky and J.E. Carnes, “Charge-coupled digital circuits,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.SC-6, no.5, pp.314–322, Oct. 1971.
[41] M.H. White, D.R. Lampe, F.C. Blaha, and I.A. Mack, “Characterization of surface channel CCD im-age arrays at low light level,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.SC-9, no.1, pp.1–13, Jan. 1974. [42] K. Abe, S. Sugawa, R. Kuroda, S. Watabe, N.
Miyamoto, A. Teramoto, T. Ohmi, Y. Kamata, and K. Shibusawa, “Analysis of source follower random telegraph signal using nMOS and pMOS array TEG,” Int’l Image Sensor Workshop, pp.62–65, June 2007. [43] M. Ishikawa, “Vision chip and its applications to
hu-man interface, inspection, bio/medical industry, and robotics,” IEEE ISSCC Forum F4: High-Speed Im-age Sensor Technologies, Feb. 2010.
[44] 小池紀雄,竹本一八男,“固体撮像装置,”特公昭 62-20750, Jan. 1977出願.
[45] F. Andoh, K. Taketoshi, J. Yamazaki, M. Sugawara, Y. Fujita, K. Mitani, Y. Matsuzawa, K. Miyata, and S. Araki, “A 250,000-Pixel Image Sensor with FET Amplification at Each Pixel for High-Speed Televi-sion Cameras,” IEEE ISSCC, pp.212–213, Feb. 1990. [46] 橋本誠二,光電変換装置,特許 2625475, March 1988
出願.
[47] E.R. Fossum, “Active pixel sensors: Are CCDs di-nosaurs?” Proc. SPIE CCD’s Optical Sensors III, vol.1900, pp.2–14, July 1993.
[48] P.P.K. Lee, R.C. Gee, R.M. Guidash, T.-H. Lee, and E.R. Fossum, “An active pixel sensor fabricated using CMOS/CCD process technology,” Proc. IEEE Work-shop CCDs Adv. Image Sensors, April 1995. [49] 井上俊輔,櫻井克仁,上野勇武,小泉 徹, 山拓巳,浅羽
哲郎,須川成利,前田 敦,東谷恵市,加藤久市,飯塚 康治,山脇正雄,“325 万画素 APS-C サイズ CMOS イ メージセンサ,”映情学技報,vol.25, no.28, pp.37–41, March 2001.
[50] S. Kawahito, “Column readout circuit design for high-speed low noise imaging,” IEEE ISSCC Forum F4: High-Speed Image Sensor Technologies, Feb. 2010. [51] 馬渕圭司,鈴木亮司,森 智則,X-Y アドレス型固体撮 像素子,特許 3759435, July 2001 出願. [52] 梅林 拓,高橋 洋,庄子礼二,半導体装置とその製造方 法,及び電子機器,特許 5773379, Jan. 2010 原出願. [53] 日経産業新聞,“アテネはキヤノン 報道用白一色 プロ 採用技術力証し,” 2004年 8 月 17 日記事.
[54] S. Sugawa, N. Akahane, S. Adachi, K. Mori, T. Ishiuchi, and K. Mizobuchi, “A 100 dB dynamic range CMOS image sensor using a lateral overflow
in-tegration capacitor,” IEEE ISSCC, pp.352–353, Feb. 2005.
[55] N. Akahane, S. Sugawa, S. Adachi, K. Mori, T. Ishiuchi, and K. Mizobuchi, “A sensitivity and linear-ity improvement of a 100 dB dynamic range CMOS image sensor using a lateral overflow integration ca-pacitor,” IEEE J. Solid-States Circuits, vol.41, no.4, pp.851–858, April 2006.
[56] S. Wakashima, F. Kusuhara, R. Kuroda, and S. Sugawa, “Floating capacitor load readout operation for small, low power consumption and high S/N ratio CMOS image sensors,” ITE Trans. MTA, vol.4, no.2, pp.99–108, April 2016.
[57] Y. Tochigi, K. Hanzawa, Y. Kato, R. Kuroda, H. Mutoh, R. Hirose, H. Tominaga, K. Takubo, Y. Kondo, and S. Sugawa, “A global-shutter CMOS im-age sensor with readout speed of 1-Tpixel/s burst and 780-Mpixel/s continuous,” IEEE J. Solid-State Cur-cuits, vol.48, no.1, pp.329–338, Jan. 2013.
[58] S. Sugawa, R. Kuroda, T. Takeda, F. Shao, K. Miyauchi, and Y. Tochigi, “A 20 Mfps global shutter CMOS image sensor with improved sensitivity and power consumption,” Int’l Image Sensor Workshop, pp.166–169, June 2015.
[59] R. Kuroda, S. Kawada, S. Nasuno, T. Nakazawa, Y. Koda, K. Hanzawa, and S. Sugawa, “A highly ultra-violet light sensitive and highly robust image sensor technology based on flattened Si surface,” ITE Trans. MTA, vol.2, no.2, pp.123–130, April 2014.
[60] S. Nasuno, S. Wakashima, F. Kusuhara, R. Kuroda, and S. Sugawa, “A CMOS image sensor with 240μV/e- conversion gain, 200 ke- full well capacity, 190-1000 nm spectral response and high robustness to UV light,” ITE Trans. MTA, vol.4, no.2, pp.116–122, April 2016.
[61] http://theconfab.com/wp-content/uploads/ Wally-Rhines-2016-ConFab final.pdf, Oct. 2016. [62] T. Nomoto, Y. Oike, and H. Wakabayashi,
“Acceler-ating the sensing world through imaging evolution,” Sym. VLSI Circuits, pp.7–10, June 2016.
[63] K. Nishimura, Y. Sato, J. Hirase, R. Sakaida, M. Yanagida, T. Tamaki, M. Takase, H. Kanehara, M. Murakami, and Y. Inoue, “An over 120 dB simultaneous-capture wide-dynamic-range 1.6e-ultra-low-reset-noise organic-photoconductive-film CMOS image sensor,” IEEE ISSCC, pp.110–111, Feb. 2016. (平成 29 年 2 月 4 日受付,4 月 8 日再受付, 9月 12 日公開)