イメージセンサの原理

COOL Chips XIXにおいてソニーのデバイス&マテリアル研究開発本部長の平山照峰氏がイメージングデバイスの現状と将来の開発方向について基調講演を行った。

現在はイメージングデバイスというとスマートフォン(スマホ)のカメラやデジタルカメラ(デジカメ)に使われるものが多いが、車も運転補助システムの高度化、自動運転の対応などのために搭載されるイメージングデバイスの数は増えており、イメージングデバイスは高い成長性を持ち開発競争が激化している。

イメージセンサはフォトダイオードあるいはCCDのアレイであるということは良く理解されているが、どのような技術が使われ、どのようなトレードオフがあるのかなどは、あまり知られていないと思われる。平山氏の基調講演は、このあたりを分かりやすく解説している。

イメージセンサの現状

まず、イメージセンサには、色々なサイズのものがある。一番小さいものは1/3.2インチというスマホなどのカメラに用いられるもので、面積は14.5mm²である。標準品で最も大きなものは、フルサイズと呼ばれる864mm²のものである。最大と最小では、実に60倍の面積の違いがある。

なぜ、これほどサイズに違いがあるのであろうか? それを理解するためには、画像の評価にはいろいろの尺度があり、イメージセンサの造りがどのように性能に影響するのかを理解する必要がある。

イメージセンサには色々な評価尺度がある

画像の特性の第一は解像度である。解像度が高ければ細かいものでも識別できるし、拡大しても綺麗な画像が得られる。このため、解像度はデジカメの最初にあげられる項目となっている。

しかし、解像度以外にも画像品質に影響するいくつもの特性がある。SN比は画像の情報とノイズの比で、SN比が高い方がノイズの少ないクリアな画像が得られる。フレームレート(Frame Rate)は毎秒何枚の画像を取得できるかで、これが高ければ連写ができるし、ビデオの撮影ができる。

直射日光の下で撮ると、明るいところは白く飛んでしまい、暗いところは潰れて真っ黒というようなことが起こる。これは明暗の差が大きく、イメージングデバイスのダイナミックレンジではカバーしきれず飽和してしまうからである。

イメージングデバイスは多数のピクセルを持ち、それらのピクセルを順次読み出している。このようにすると、厳密には、それぞれのピクセルが撮影したタイミングは少しずつ異なっており、高速で動く物体は歪んでしまう。また、RGBのカラーフィルタを使っているが、隣のセルに光が漏れると色の純度が低下してしまうということが起こる。

現実の製品では、すべての特性を最高レベルにすることは難しく、顧客のニーズに合わせてイメージングデバイスを作る必要があるという。

解像度を高める

CMOSイメージセンサでは、受けた光をフォトダイオオード(PD)で電荷に変換し、それをアンプで増幅して縦方向の線を通して読み出す。この回路は次の図のようになっており、基本的には1ピクセルに4個のトランジスタを必要とする。

このトランジスタ数を減らすため、複数のピクセルでアンプを共有する構成が考えられ、8ピクセルでアンプを共有する場合は、1ピクセルあたりのトランジスタ数は1.375まで減少し、ピクセル数を増やして解像度を高めることができる。しかし、ピクセルの面積の大部分はPDで、トランジスタの面積は小さいので、トランジスタ数の減少の効果は限定的である。

このような回路的な工夫に加えて半導体加工技術の進歩があり、結果として、歴史的なピクセルピッチの推移は次の図のようになっている。ピクセルピッチは、2006年には2.5μmであったものが2014年には1.1μm程度に微細化されている。

感度を高める

当初のイメージセンサは通常の半導体と同様にPDやアンプを、シリコンウェハの表面に作り、表面から光を当てるというものであったが、回路を形成するための配線がPDへの光を遮ってしまうと言う問題がある。また、PDが奥の方にあるので、斜め方向からの入射光がPDに届かないという問題もある。

これに対して、チップ表面に設けたレンズで、配線に遮られない部分に光を集めて透過効率を高めるという技術も開発されたが、現在ではチップの表面にアンプなどを作り、反対側の裏面にPDを作って、裏面から光を当てる方式が主流となっている。この裏面照射方式では、最初の方式に比べて感度が2倍になるとのことである。