CMOSイメージセンサー:Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor

ソニーのイメージセンサーは、携帯電話やカメラといったデジタルイメージング機器をはじめ、産業機器等に商品を展開しています。
スマートフォン市場の拡大に伴い、カメラ機能としての高精細、高感度化が求められ、また、デジタルカメラの分野では高速・高感度化が求められています。
このようなセットの要求の変化に対応するため、CCDイメージセンサーからCMOSイメージセンサーへ、表面照射型CMOSイメージセンサーから裏面照射型CMOSイメージセンサーへとシフトしつつあります。

CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサーの比較 (1)

しくみの違い

CCDイメージセンサーの読み出し方法
CCDイメージセンサーの構造
①画素内のフォトダイオード(受光部)で光を受光し、電荷に変換して蓄積する。
②すべての受光部に蓄積された電荷は、同時に垂直伝送路(垂直CCDレジスター)に転送される。
 (全画素同時露光 一括読み出し)。
③垂直伝送路を経由した電荷は、水平伝送路(水平CCDレジスター)に転送される。
④水平伝送路から転送されてきた電荷は、最後の増幅器で電荷から電圧に変換、増幅されてカメラ 信号処理に送られる。

CMOSイメージセンサーの読み出し方法
CMOSイメージセンサーの構造
①画素内のフォトダイオード(受光部)で光を受光し、電荷に変換して蓄積する。
②蓄積された電荷は、画素内にある増幅器によって電圧に変換、増幅される。
③増幅された電圧は、画素選択スイッチのON/OFFにより、ラインごと(行ごと)に垂直信号線に転送 される(ライン露光 順次読み出し)。
④垂直信号線ごとに配置されている列回路(CDS回路)により、画素間にばらつきのあるノイズを除去し、一時的に保管する。
⑤保管された電圧は、列選択スイッチのON/OFFにより水平信号線に送られる。

CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサーの比較 (2)

消費電力とばらつき

CCDイメージセンサーの駆動方法と画素信号
CCDイメージセンサーの構造
・常時すべての水平・垂直レジスターでバケツリレーしているため、特殊な高電圧が必要、消費電力が 大きい
・出力回路がひとつしかないため、回路素子によるばらつきが少ない

CMOSイメージセンサーの読み出し方法
CMOSイメージセンサーの構造
・読み出される1行分の回路のみ動かせば良いため低電圧な電源で構成、消費電力が低い
・出力部は各画素/各列にあり、構成する素子が異なるため、回路素子のばらつきの影響が大きく対策が必要

CCDイメージセンサー:スミア特性

一般のCCDイメージセンサーでは、太陽光や車のヘッドライトのように強い光があるセンサー部分に当たると、その部分の電荷があふれます。特に垂直レジスターであふれ、これが強い光を中心として垂直方向に白いスジ状のノイズとなる現象をスミアと呼びます。

背後に強い光がある場合の撮像例は次の通りです。

CCDイメージセンサーの撮像例と断面構造 垂直CCDレジスターに入射した光が変換され、不要電荷が混入する
CMOSイメージセンサーの撮像例と断面構造 画素部で増幅しているため原理的に不要電荷が発生しない

CMOSイメージセンサー:フォーカルプレーン歪み

一般のCMOSイメージセンサーでは1行分ごとに読み出されるため、次行の読み出しでは時間がずれ、一枚の画像にすると動体歪みが原則的に発生します。
これをフォーカルプレーン歪みと呼び、動体歪みとも表現します。

高速移動被写体の撮像例は次の通りです。

CCDイメージセンサーの読み出し方法
ライン間での露光タイミングが完全に一致しているので、動きのある物体でも「歪み」が発生しない。
CMOSイメージセンサーの読み出し方法
ライン間で露光タイミングが異なるため、動きのある物体は「歪み」が発生する。

ExmorとExmor Rの特長

Exmor

「見えなかったものを見てみたい」。
そんな思いを実現するために、ソニーは独自のカラムA/D変換技術を採用したCMOSイメージセンサーExmor (エクスモア) を開発しました。
CMOSイメージセンサーの特徴である高速性と、長年CCDで培ってきたイメージセンサーの高画質化技術を融合させ、空間軸の高解像度化に加えて時間軸の解像度も向上させ、新しいイメージングワールドの無限の可能性を追求しています。

Exmor R

「ろうそくの明るさでもきれいに撮れるカメラ」。
この実現のために、ソニーは独自の裏面照射型構造を採用したCMOSイメージセンサー Exmor R (エクスモア アール) を開発しました。
従来の表面照射型CMOSイメージセンサーに比べて、約2倍※1の感度と低ノイズを実現しています。
また、裏面照射型CMOSイメージセンサーは、シリコン基板の裏側から光を照射することで、従来の表面照射での画素構造ではなし得なかった光の効率的な利用により、夜景などの暗い場所でもなめらかで高画質な映像の撮影を可能にしました。

※1:同じ画素サイズ (1.75µm) の当社従来型 (表面照射型) と裏面照射型のCMOSイメージセンサーとの比較

これまでのCMOSイメージセンサーの進化軸

イメージセンサーは、撮像速度と画質の向上という二つの軸に沿って"人間の目を超える"ことを目指し、進化してきました。

人間の目を超えて-Super Realityの実現-
Exmor R 解像度向上 感度向上
Exmor スーパーモーション HD動画 高速連続撮影

Super Reality: 超高速

ISSCC 2011で発表した新世代の高速技術は、34.8Gbpsのデータ出力によって、17.7Mpixel 120fpsの読み出しが可能となりました。

高速化のため、ソニー独自の3つの高速技術を導入→ダイナミックレンジ77.6dbという高画質でありながら、従来のトレンド比5倍の高速化を実現

Super Reality: 高感度

基板の裏面側から光を入射させる構造を持ったイメージセンサーExmor Rでは、入射光を配線に邪魔されずに取り込めるため、感度が大幅に向上します (従来比約2倍) 。

CCDイメージセンサーの読み出し方法 表面照射型CMOSイメージセンサー (従来型) とCMOSイメージセンサーの読み出し方法 裏面照射型CMOSイメージセンサー比較図

これからのCMOSイメージセンサーの進化論

ソニーは、撮像速度と画質という二つの進化軸に沿って、人間の目を超えるイメージセンサーの開発を目指してきました。今後はこの二つの進化軸に「機能」という第3の進化軸を加え、"より楽しく、心地よい"映像体験を実現することを目指します。

新機軸の提案 〜積層型による高機能化〜
より楽しく、心地よい映像体験を実現
美容 ヘルスケア 学習 鑑賞 RGBW HDR
Exmor R 裏面照射型による高感度化
Exmor Column ACDによる高速化
センシング

それが次世代の裏面照射型CMOSイメージセンサー"積層型CMOSイメージセンサー"です。

積層型CMOSイメージセンサー

積層型CMOSイメージセンサーでは、センサー部と論理回路部を別々に製造した後で積層します。裏面照射型CMOSイメージセンサーの支持基板に論理回路を搭載します。

裏面照射型CMOSイメージセンサー(従来型)
1)支持基板の有効活用
2)画素領域と回路領域の完全分離
→
裏面照射型CMOSイメージセンサー
回路領域の積層化
積層型CMOSイメージセンサー(新開発)

積層型CMOSイメージセンサーのプレスリリース
https://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/201201/12-009/index.html
https://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/201201/12-010/index.html

積層型CMOSイメージセンサーの特集記事はコチラ
https://www.sony-semicon.co.jp/products_ja/cxpal/vol92_sideview.html


* Exmorは, ソニー (株) の商標です。このExmorは, 列並列A/D変換方式の採用により, 高速処理, 低ノイズ性能, 低消費電力に優れたCMOSイメージセンサです。


* Exmor Rは, ソニー (株) の商標です。列並列A/D変換方式を採用したExmorの画素の基本構造を裏面照射型にすることで, 感度や低ノイズなどの撮像特性を大幅に向上させたCMOSイメージセンサです。