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  • 2018/02/14
  • Motor Fan illustrated編集部

パナソニック:有機薄膜を用いたCMOSイメージセンサによる、8K高解像度、高性能グローバルシャッタ撮像技術を開発

業界初、非常に明るいシーン(45万飽和電子)まで、高解像度で、動体歪みのない高画質撮影を実現

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パナソニックは、8K画質を実現する、3600万画素の高解像度で、60fpsの高速フレームレート読み出し、かつ、45万電子の高飽和と、感度変調機能を有するグローバルシャッタ撮像が可能なCMOSイメージセンサ技術を開発した。本技術では、光電変換を行う有機薄膜と電荷蓄積および読み出しを行う回路部を完全独立に設けた積層構造とし、この回路部に、高速ノイズキャンセル技術と高飽和化技術を新たに開発・搭載している。また、有機薄膜に加える電圧を制御し、感度を変更できる有機センサならではの構成を用い、グローバルシャッタ機能を実現することで、業界で初めて、これらの性能を同時に実現している。(2018年2月14日、パナソニック調べ)

1. 光電変換機能を有する有機薄膜と、電荷蓄積および光電変換信号を読み出す回路部を完全に独立した「CMOSイメージセンサ設計技術」

パナソニックの有機CMOSイメージセンサは、光を電気信号に変換する機能を有機薄膜で、信号電荷の蓄積、および、読み出しを行う機能を下層の回路部で、それぞれ完全独立に行う構成。今回、このような有機CMOSイメージセンサの構造的特長を活かし、配置自由度の大きい回路部に、高速なノイズキャンセル技術、高飽和化を実現する技術を搭載することで、通常はトレードオフとなる、8K高解像度での、フレームレート60fps読み出し、高飽和特性実現による広ダイナミックレンジ化、グローバルシャッタ機能を同時に実現している。
*ダイナミックレンジ:撮影できる明るさの範囲(最も明るい部分と最も暗い部分の比)

2. 高解像度でも高速に画素ノイズを抑制可能な「画素内-容量結合型ノイズキャンセル技術」

有機CMOSイメージセンサは、有機薄膜と電荷蓄積部を金属配線で接続する構造であるため、蓄積電荷を完全に読み出すことができない。そのため、画素(信号電荷蓄積ノード)リセット時のリセットノイズの影響を受けるという課題がある。さらに、8Kセンサのような多画素センサでは、ノイズキャンセル時に、垂直方向に並ぶ4000を超える画素分の大きな負荷を、一度に駆動する必要があり、ノイズ抑制に時間がかかるという課題があった。本センサでは、当社独自の半導体デバイス技術と、新たに開発した『画素内-容量結合型ノイズキャンセル回路』により、発生したリセットノイズを、多画素駆動時にも、高速にキャンセルする構成を開発。本構成では、電流源以外の要素を全て画素内に設けた負帰還ループを用いることで、画素毎に、リセットノイズの抑制を高速に実現することができる。

3. 高飽和特性を実現可能な「画素内-ゲイン切り替え技術」

有機CMOSイメージセンサでは、配置自由度のある回路部に大容量の容量素子を搭載することで、同一画素構成を用いながら、カメラシステムからのスイッチ切り替えのみで、高感度モードと高飽和モードの両モードを実現できる。高感度モードでは、4.5万電子の光量までのデータを高感度に撮像することが可能。一方、高飽和モードでは、45万電子の大きな光量までのデータを撮像することを可能としている。本センサでは、高飽和モードにおいて、高感度モード比10倍の大きな光量まで撮像可能なので、図3(a)のように、高感度モードでは白飛びしてしまい、階調の表現できないランプのフィラメントの細かい巻き構造まで、鮮明に映し出すことができる。また、図5のように、スタジアムの屋根の影にいる人の表情から真夏日中の青空と雲まで、さらに、図6のように、薄暗い室内から日の当たる庭まで、明暗差の大きいシーンにおいても、黒つぶれ、白飛びのない、色調鮮やかな撮像が可能となる。

4. 有機薄膜へ加える電圧変更のみで、感度変更可能な「電圧制御感度変調技術」

有機CMOSイメージセンサは、有機薄膜へ加える電圧を制御するだけで、有機薄膜の感度を変更可能。本機能を活用することで、従来のシリコンイメージセンサでは実現できなかった、以下のような機能を実現できる。

■ 感度変調 実施例1: 8K解像度での全画素同時撮像可能なグローバルシャッタ機能
有機薄膜へ加える電圧をON、OFF制御し、有機薄膜の感度を制御することで、8Kセンサのような多画素駆動時でも、全画素同時撮像可能な『グローバルシャッタ機能』を実現。グローバルシャッタ機能を用いて撮像することで、図3(b)に示すように、回転体の文字を歪みなく、鮮明に撮像することができる。また、図7のように、高速道路走行時や産業検査時のような、高速動体撮像時にも、歪みのない撮像が可能になる。

従来のグローバルシャッタ型のシリコンイメージセンサでは、データを全画素一括で蓄積するために、転送回路と電荷を蓄積しておく電荷蓄積容量などの新たな素子を追加する必要があり、光を捉えるフォトダイオードと追加回路との面積の取り合いが発生、画素サイズを小さくできない、飽和光量を増やすことができないという課題があった。一方、有機CMOSイメージセンサでは、追加素子が必要ないため、セルの小型化、高解像度センサが実現できるとともに、配置自由度のある回路部への飽和拡大容量の搭載で、暗いシーンから非常に明るいシーンまで、歪みのない正確な撮像が可能となる。例えば、図9に示すように、ビル群を高速パンニング[5]しながら撮影した場合の、明るい空と暗い窓のように、従来は白飛び、黒つぶれしてしまうコントラストの大きいシーンにおいても、有機CMOSイメージセンサでは、ローリングシャッタモードと同様に全領域の階調を保持したまま、歪みのない映像データの取得が可能となる。

■ 感度変調 実施例2: 感度を連続、無段階に変更可能な「電子NDフィルタ技術」
有機薄膜(図8のVITO)へ加える電圧を制御し、有機薄膜の感度を所望の値に変更することで、従来、撮影条件により複数のNDフィルタを装備することが必要であったカメラ使用シーンにおいて、カメラシステムへの電圧制御のみで、電気的にNDフィルタ機能を実現することが可能。本機能の使用により、従来のシリコンセンサでは実現できなかった、撮影機材の簡易化、および、感度の連続、無段階制御が可能になるので、シーンに応じた撮影の自由度が広がる。
今後、これらの有機CMOSイメージセンサ技術を、業務放送用カメラ、監視用カメラ、産業検査用カメラ、車載用カメラなど幅広い用途に提案し、高解像度・高速・高精度なイメージング、センシング機能の実現に貢献していく。

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