複数蓄積駆動を用いた低ノイズ高ダイナミックレンジグローバルシャッターCMOSイメージセンサ
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(2) MEM で 保 持 さ れ る ． こ の 駆 動 に お い て は 読 み 出 し 期. 図 2 は複数蓄積駆動におけるポテンシャル概念図を. 間 (T R EADOUT ) と ， MEM で 信 号 電 荷 を 保 持 す る 期 間. 示 す ．露 光 開 始 に 当 た り ，PD は 光 電 変 換 さ れ た 信 号 電. (T R ETA IN )は 等 し い ． さ ら に ， PD か ら MEM へ の 全 画 素. 荷 の 蓄 積 を 開 始 す る (a) ．続 い て (b)か ら (d)に 示 す よ う. 一括転送は１フレーム期間に１回である．その結果，. に ， 信 号 電 荷 は PD か ら MEM に 全 画 素 一 括 転 送 さ れ. 画 素 の 飽 和 信 号 は PD の 飽 和 信 号 に よ り 制 約 さ れ る ．. る ．そ し て １ 回 目 の 電 荷 転 送 が 完 了 す る と 同 時 に ，PD. 図 1(b) は 今 回 開 発 し た 複 数 蓄 積 駆 動 を 用 い た. は 2 回目の信号電荷の蓄積を開始する．これと同様の. GS-CIS に お け る 駆 動 タ イ ミ ン グ 図 を 示 す ．こ の 駆 動 の. 方 法 で ，(e)か ら (g)に 示 す よ う に 2 回 目 か ら 4 回 目 の 電. 特 徴 と し て ，読 み 出 し 期 間 は 電 荷 保 持 期 間 よ り も 短 い ．. 荷 転 送 が 行 わ れ る ．4 回 目 の 全 画 素 一 括 転 送 後 に MEM. この例では，読み出し期間と電荷保持期間の割合が. に 蓄 積 さ れ た 信 号 電 荷 は ，行 順 次 で FD に 読 み だ さ れ ，. 1：4 に 設 定 さ れ て い る ．そ の 結 果 と し て ，各 画 素 に お. 同 時 に PD は 次 の フ レ ー ム の 蓄 積 を 開 始 す る (h) ．. け る MEM か ら の 読 み 出 し は ， 従 来 の 駆 動 よ り も 早 く 完 了 す る ． MEM か ら の 読 み 出 し が 完 了 す る と ， MEM は次のフレームの信号電荷を受けることが可能となる た め ，よ り 早 い タ イ ミ ン グ で 次 の フ レ ー ム に お け る PD の 信 号 電 荷 を MEM に 全 画 素 一 括 転 送 す る こ と が で き る ． さ ら に 次 の フ レ ー ム の 読 み 出 し ま で MEM は 信 号 電 荷 を 保 持 す る こ と が で き る ．PD か ら MEM へ の 全 画 素一括転送を１フレーム期間に複数回行うことができ る た め ， PD の 飽 和 信 号 よ り も 多 い 画 素 の 飽 和 信 号 を 得ることができる．さらにこの駆動では，読み出し期 間中に次のフレームの露光を開始することが可能であ り，時間欠落のないシームレスな信号電荷の蓄積を実 現することができる．. 図 2. 複 数 蓄 積 駆 動 の ポ テ ン シ ャ ル 概 念 図. 3. 開 発 し た CIS の 構 成 お よ び 測 定 結 果 画 素 ピ ッ チ 6.4 μ m GS-CIS 図 3 は 画 素 ピ ッ チ 6.4 μ m の GS-CIS に お け る ブ ロ ッ. 3.1.. ク 構 成 図 を 示 す ． 4046(H) x 2496(V)に 画 素 が 配 列 さ れ た 4k2k ス ー パ ー 35mm フ ォ ー マ ッ ト で ，12bit 列 ADC， 列メモリ，シグナルプロセッサーを搭載する．. 図 1. GS-CIS に お け る 駆 動 タ イ ミ ン グ 図. 図 3. 6.4 μ m GS-CIS ブ ロ ッ ク 構 成 図. 12.
(3) 図 4 は試作センサの光電変換特性を示す．この結果. 3.2.. は蓄積駆動回数を変化させたことによって得られた．. 画 素 ピ ッ チ 3.4 μ m GS-CIS. さ ら に 基 本 性 能 を 維 持 し た ま ま ， 画 素 ピ ッ チ 3.4 μ m. PD か ら MEM へ の 全 画 素 一 括 転 送 を １ フ レ ー ム 期 間 に. の GS-CIS を 開 発 し た ．図 6 は 画 素 ピ ッ チ 3.4 μ m GS-CIS. １ 回 行 う 従 来 駆 動 は ，120fps(電 荷 保 持 期 間 :1/120s，読. に お け る ブ ロ ッ ク 構 成 図 を 示 す ． 2676(H) x 2200(V)に. み 出 し 期 間 :1/120s) に 対 応 す る ． こ の 時 の 飽 和 信 号 は. 画 素 が 配 列 さ れ た 530 万 画 素 2/3 イ ン チ に お い て ，12bit. 19000e - で あ っ た ． 従 来 駆 動 対 し て 2 回 蓄 積 駆 動 は ，. SSDG-ADC [ 3 ] ， 列 メ モ リ ， シ グ ナ ル プ ロ セ ッ サ ー を 搭. 60fps(電 荷 保 持 期 間 :1/60s，読 み 出 し 期 間 :1/120s)に 対 応. 載 す る ． 図 6 は 画 素 回 路 図 も 併 せ て 示 す ． 画 素 は FD. す る ．こ の 時 の 飽 和 信 号 は 38000e - で ，従 来 駆 動 の 約 2. を２画素で共有している．. 倍 と な っ た ． さ ら に 4 回 蓄 積 駆 動 は 30fps(電 荷 保 持 期 間 :1/30s， 読 み 出 し 期 間 :1/120s)に 対 応 す る ． こ の 時 の 飽 和 信 号 は 70,000e - に 達 し た ． こ の 試 作 セ ン サ の G 感 度 は 80,000e - /lx.s で ， 寄 生 光 感 度 (PLS)は -78dB， テ ン ポ ラ ル ノ イ ズ は 1.8e - で あ っ た ． そ の 結 果 ， 約 92dB の ダイナミックレンジを達成した．またほかの試作セン サ で は ， PLS を 改 善 し て -90dB ま で 向 上 し た ．. 図 6. 3.4 μ m GS-CIS ブ ロ ッ ク 構 成 図 図 4. 6.4μ m GS-CIS 光 電 変 換 特 性. 図 7 は 試 作 セ ン サ の 光 電 変 換 特 性 を 示 す ． 120fps で の 従 来 駆 動 に お け る 飽 和 信 号 は 8100e - で あ る の に 対 し ，. 図 5 は 4 回 蓄 積 駆 動 (a)と 従 来 駆 動 (b)に て 撮 影 し た サ. 60fps で の 2 回 蓄 積 駆 動 に お け る 飽 和 信 号 は 16000e -. ン プ ル 画 像 で あ る ． 図 5(a)で は 十 分 な ダ イ ナ ミ ッ ク レ. （ 約 2 倍 ）で あ っ た ．こ の 試 作 セ ン サ の G 感 度 は 28,000. ンジを示している．特に明部で白飛びが無く，また暗. e - /lx.s ， テ ン ポ ラ ル ノ イ ズ は 1.8e - ， PLS は -89dB で あ. 部 の 黒 潰 れ を 抑 制 し て い る ．こ れ ら の 画 像 は 共 に 1/90s. り，2 つの駆動において特性の差はない．. のシャッター速度で撮影した．. 図 7. 3.4 μ m GS-CIS 光 電 変 換 特 性 図 8 は光導波路構造の有無による入射角度特性の測 定値とシミュレーション結果を示す．広い開口を有す 図 5. サ ン プ ル 画 像. る光導波路は，遮光層や画素の構成成分が増えること による感度と斜入射特性の低下を対策するために導入 し た ．ま た 図 8 は 光 導 波 路 構 造 に お け る 15°入 射 光 で. 13.
(4) の光強度分布のシミュレーション結果も併せて示す． 光 導 波 路 構 造 の 効 果 と し て ，垂 直 入 射 に 対 す る 15°入 射 の 光 強 度 の 割 合 は 22％ (シ ミ ュ レ ー シ ョ ン )か ら 62％ (実 測 )に 改 善 し た ．. 図 10. HDR サ ン プ ル 画 像. 4. 結 論 複数蓄積駆動を用いた低ノイズかつ高ダイナミッ ク レ ン ジ な 画 素 ピ ッ チ 6.4 μ m の グ ロ ー バ ル シ ャ ッ タ ー CMOS イ メ ー ジ セ ン サ を 開 発 し た ． さ ら に 基 本 性 能 を 維持するために光導波路構造を導入した，画素ピッチ 3.4 μ m の グ ロ ー バ ル シ ャ ッ タ ー CMOS イ メ ー ジ セ ン サ 図 8. 入 射 角 度 特 性 と 光 導 波 路 構 造 に よ る 光 強 度 分 布. を開発した． 表 1 に 画 素 ピ ッ チ 6.4 μ m お よ び 画 素 ピ ッ チ 3.4 μ m. 図 9 は ハ イ ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ モ ー ド (HDR)の 駆 動. に お け る 試 作 セ ン サ の 特 性 お よ び [1-2] と の 特 性 比 較. タ イ ミ ン グ 図 お よ び 光 電 変 換 特 性 を 示 す ． ま た 図 10. を示す．今回試作したセンサではイメージセンサの性. に HDR で 撮 影 し た サ ン プ ル 画 像 を 示 す ．1 フ レ ー ム 期. 能 指 数 FoM2 に お い て 良 好 な 値 を 得 ら れ た ．. 間 に 2 回 蓄 積 駆 動 に お け る 84 μ s 露 光 と ， 従 来 駆 動 に. 表 1.特 性 比 較. お け る 8.3ms 露 光 を 行 う こ と で ， ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ を 拡 大 し た ．露 光 時 間 の 比 (100 倍 )に よ る 計 算 で は ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ は 40dB 拡 大 と な る が ， 短 露 光 と 長 露 光 の つ な ぎ 部 で ノ イ ズ が 目 立 た な い よ う に 8dB 重 な る ように割り当てた．結果としてダイナミックレンジは 60fps で 2 回 蓄 積 駆 動 に お け る 79dB か ら ， 60fpsHDR モ ー ド で 111dB に 向 上 し た ．サ ン プ ル 画 像 で は 明 部 に おける貝殻の模様と，暗部における亀の甲羅の形状を 認識できた．. 文. 献. [1] Y.Oike, et al., "An 8.3M-pixel 480fps Global-Shutter CMOS Image Sensor with Gain-Adaptive Column ADCs and 2-on-1 Stacked Device Structure," IEEE Symp. on VLSI Circuits, pp.222-223, 2016. [2] P.Centen et al., “A 4e-noise 2/3-inch Global Shutter 1920x1080P120 CMOS-Imager,” in Proc. of IISW, Jun. 2013. [3] H.Totsuka, et al., “An APS-H size 250Mpixel CMOS Image Sensor using Column Single Slope ADCs with Dual Gain Amplifiers,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.116-117, 2016. 図 9. HDR 駆 動 タ イ ミ ン グ 及 び 光 電 変 換 特 性. 14.
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図
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