Panasonic Technical Journal Vol. 63 No. 1 May 2017

有機積層型イメージセンサ−完全同時広ダイナミックレンジ技術，光電変換グローバルシャッタ技術の開発−
Development of Simultaneous-Capture Wide-dynamic-range Technology and Global Shutter Technology for Organic Photoconductive
Film Image Sensor

村史

西 村 佳 壽 子

宍 戸 三 四 郎

Masashi Murakami

上Kazuko Nishimura

Sanshiro Shishido

高三 宅玉 置瀬雅雅之Masayuki Takase

要康 夫

Yasuo Miyake

徳 彦

Tokuhiko Tamaki

旨
筆者らは，有機イメージセンサの光電変換部と信号処理回路部が積層され独立に設計可能な構造の特長を活（い）かした性能・機能の飛躍的な伸張技術により新たな顧客価値の創造に取り組んでいる．今回，画素電極を1画素内で大小に分割した1画素2セル構造の提案により，従来技術課題であった時間ずれのない，1回の撮像で120dB超の完全同時広ダイナミックレンジ技術を開発した．また，有機光電変換膜に印加する電圧を変化させることで光電変換効率を制御する技術の開発により，従来技術課題であった画素サイズと飽和のトレードオフ特性を飛躍的に改善し，従来比10倍の業界最高飽和グローバルシャッタ機能を実現した．これら有機イメージセンサの広ダイナミックレンジ化技術とグローバルシャッタ技術開発により，明暗差の大きなシーンでの撮影や，高速に移動する被写体認識，動き方向検出を可能とし，新たなイメージセンシング用途への展開・拡大を目指す．
Abstract
We are trying to effectively offer greater value to customers and developing technology to dramatically enhance performance andfunctions utilizing the structural feature of organic photoconductive film (OPF) image sensors. In these sensors, the photoelectric
conversion part and signal processing circuits are vertically stacked and they can be designed independently. We have proposed anddeveloped a dual-sensitivity pixel utilizing this unique feature of the OPF CMOS image sensor. It realizes a simultaneous
wide-dynamic-range image capture of over 120 dB without time distortion. Photoelectric-conversion-controlled global shutter
technology has also been developed by only modulating the voltage applied to OPF. It has improved the tradeoff performance andrealized a high-saturation signal up to 10 times larger than the conventional image sensors. These technologies enable high-speed,
high-precision imaging without time distortion in high-contrast scenes, and will be applied to new imaging and sensing devices.

1．はじめにも，ミラーレス一眼などのメカシャッタレス化への要求もあり，小型，高精細，広ダイナミックレンジでかつ，イメージセンサにおいて近年その性能向上に伴い，これまでの撮像用途に加えて監視，車載，産業，ロボットといったセンシング分野が注目を集めており，新たなイグローバルシャッタ動作が可能なセンサが期待されている．
今回，CCDとCMOSイメージセンサの特長を兼ね備え，メージング市場への需要が期待されている．また，屋外時間ずれのない1回の撮像で120 dBを超えるワイドダイでの利用シーンも拡（ひろ）がり，高感度，高解像度にナミックレンジ（WDR：Wide Dynamic Range）撮像と動加えて，逆光時にも確実にセンシングするダイナミック

体・文字の認識や動き方向を検出する独自のグローバルレンジ拡大やLED標識のフリッカ課題克服などロバスト

シャッタ機能を実現する有機CMOSイメージセンサを開性の高いセンシング技術の要求が高まっている．

発したので報告する．

CMOSイメージセンサ（CMOS Image Sensor:：CIS）においては，高解像度，高フレームレート，高感度の特長

2．画素構造と光電変換の原理でCCDに替わって撮像素子の主流となってきた．しかしながら CISでは，露光やシャッタ動作を全画素同時では従来CISの構造図を第1図（a）に示す．図に示すようなく，行ごとに順次走査し行う特有のローリングシャッに従来CISは光電変換部となるPD（Photo Diode）と信号タ動作を伴う．CCD同様に全画素同時にシャッタをきる電荷を読み出す浮遊拡散容量FD （Floating Diffusion）がため，画像歪（ひずみ）を生じないグローバルシャッタ同一シリコン基板上に形成されるため，FD領域が狭くな動作には，画素部に新たなメモリーの追加が必要となり，る．そのため逆光時にはFD領域の信号電荷は溢（あふ）

受光面積縮小による飽和性能の低下などから，限られたれ，ダイナミックレンジが狭い．また高い感度を得るた

用途に留（とど）まっていた [1]-[4]．撮像用途においてめには，PDを深く形成する必要があるが，第1図（b）に

34

35

先端研究特集：有機積層型イメージセンサ -完全同時広ダイナミックレンジ技術，光電変換グローバルシャッタ技術の開発-

示す隣接画素への光の漏れ込みによる混色課題や，混色変換特性が制御可能な点に注目し，有機センサの特長をを抑制するためのPD上層のメタルシールドによる集光飛躍的に伸張する新たな技術開発を行った．

ロスが生じる．
一方，有機イメージセンサの画素断面模式図を第2図

3. 120 dB超の完全同時WDR技術の開発（a）に示す．有機イメージセンサは従来CIS とは異なり，光電変換部をCMOS チップに設けられた読み出し回路

従来のCMOS イメージセンサでは，露光時間の異なる部上に積層し，それぞれ上下独立な領域に形成可能なこ

複数のデータを順次撮影後，撮影した複数の画像を合成とから，受光面積の圧迫なく広い回路領域を得ることがすることで，ダイナミックレンジ拡大を図っていたが，できる．センサに入射した光は画素ごとに設けられたマ

時間差のある複数画像データを処理するため，動体画像イクロレンズ，カラーフィルタを介して有機光電変換膜は歪（ゆが）んでしまうという課題があった．そこで筆（OPF）に吸収され，電子正孔対が生成される．発生し者らは第3図（a）に示すような，有機イメージセンサのた正孔は有機光電変換膜に印加される電界強度に応じて積層構造の特長を活かした1画素2セル構造の提案を行っ電極側に引き抜かれ，信号電荷としてシリコン基板上にた．

形成した浮遊拡散容量FD部に蓄積される．
この積層構造により広いFD領域に多くの信号電荷を3.1 1画素2セル基本画素構成蓄積することができ，広ダイナミックレンジ化を実現す

1画素2セルの画素構成として，有機光電変換膜の画素る．また，高い光吸収率を有する有機薄膜により，広い電極面積による集光感度比10倍と信号電荷の蓄積容量比

開口で混色を抑制した高感度な撮像性能を有する[5]-[7]．

を10倍とすることで，従来のSiセンサ比で約100倍のワイ

光電変換効率は第2図（b）に示すように，有機光電変ドダイナミックレンジ撮像を実現する．

換膜上部の透明電極ITO （Indium Tin Oxide）に印加する

1画素2セル構造では，第3図（b）に示すように光電変電圧により制御することが可能となる．筆者らは，この換した信号電荷を収集する有機光電変換膜下の画素電極

有機イメージセンサ特有の積層構造と，電圧により光電を大小：PE1/PE2に分割する．暗時被写体を捉える高感度セルの画素電極は，感度向上のため大面積とし画素の2 μm〜3 μm中心部に配置し，明時被写体を捉える高飽和セルの画素入射光
マイクロレンズ
カラーフィルタ
メタルシールド
PhotoDiode

マイクロレンズ
カラーフィルタ
保護膜
上部透明電極画素電極 1(PE1)画素電極 2(PE2)金属配線

FD（信号読み出し部）
信号電荷

メタル配線

有機膜

トランジスタ・容量（a）構造図（b）集光ロスと混色

第1図

従来CMOSイメージセンサ

Fig. 1

Conventional CMOS image sensor

Cs1 FD1 Cs2 FD2高感度セル

シリコン基板

1𝑁 ∝𝐴

トランジスタ

VITO

FD（信号蓄積部）

シリコン基板

有機膜感度 [arb. unit]

入射光

有機膜

信号電荷（a）画素構造

（b）

（a）

0.5 μmマイクロレンズ
カラーフィルタ
保護膜
ITO 電極
画素電極
金属配線

高飽和セル

OPF

1.0𝐶𝐶Vfb

FBCs

Vrst

RST0.8
FD

0.6

Cfd

𝑁

0.4
0.20.0

∝

Vtp
AVDD

Cc
SF

1𝐴𝐶𝐶

Vsel

SEL

Reset Noise on FD
02468 10 12𝑁_𝑁𝑁
Vref

上部電極電圧VITO [V]（b）光電変換特性

Negative Feedback Gain= -A+FBAMP

（c）

第2図

有機積層型イメージセンサ

Fig. 2Organic photoconductive film image sensor

第3図1画素2セル画素構造

Fig. 3Dual-sensitivity pixel structure35

Panasonic Technical Journal Vol. 63 No. 1 May 201736

電極は高感度セル境界部に小面積としている．センサに換膜に印加する電圧を変化させることのみで，光電変換入射した光は，この画素電極サイズに応じた信号量がそ効率を制御することが可能な光電変換制御シャッタ技術

れぞれの画素電極に収集される．

を開発した．本方式により，画素内にメモリー素子追加

さらに，高飽和セルは飽和電荷量を拡大する大きな電の必要がなく飽和信号量の減少がないグローバルシャッ

荷蓄積容量CSを搭載している．本画素構成により，有機タ機能実現が可能となる．さらに光電変換部と蓄積部が光電変換膜の画素電極面積による集光感度比10倍と，容縦構造で分離されるため，新たな信号保持メモリーが不量CSによる飽和電荷蓄積容量比10倍により，従来のCIS要であり，遮光が容易なため，画素サイズ縮小，飽和性比で約100倍の広ダイナミックレンジ撮像が実現可能と能低下の課題を克服し，メモリー部への光の漏れ込みになる．

より生じる寄生感度の抑制が可能である．

3.2

有機積層センサ固有のノイズ課題の解決

入射光入射光オンチップ
マイクロレンズ

有機センサの積層構造は集光感度比や，飽和電荷量の拡大に対して有効である一方，光電変換部である有機薄カラーフィルタ
上部電極
有機膜
画素電極
金属配線
シリコン基板膜と信号蓄積部であるSi基板が金属配線を介して接続されるため，信号電荷をリセットする際に発生するノイズがCCDやCMOSイメージセンサに対して固有課題となる．

光電変換部

メモリー部

光電変換部

メモリー部

ノイズは第3図（c）の回路図に示す信号蓄積部（FD）をRSTトランジスタで信号蓄積部FDをリセットする際信号電子

有機CMOSイメージセンサのグローバルシャッタ画素

従来CMOSイメージセンサのグローバルシャッタ画素に発生する．このノイズを抑制するために，FD部で発生したノイズの逆相の信号をFBAMP（Feed Back AMP）によりFD部へフィードバック（負帰還）することでキャン

第4図グローバルシャッタ画素の構造図

Fig. 4

Cross-sectional image of global shutter pixel

セルすることができる．FBAMPを用いてノイズを抑制する技術は幾つか提案されているが，ノイズを高速に抑制

4.1 グローバルシャッタの動作原理することが課題であった[6],[8]．そこで今回，「容量結合第5図（a）にグローバルシャッタの基本動作タイミン型ノイズキャンセル回路」を新たに開発した．

グを示す．露光時（＝シャッタ開）は，ITO電圧にHigh

回路は4トランジスタ（増幅用SF Tr，選択用SEL Tr，電圧を印加し，光電変換された信号電荷をFD部に保持すリセット用RST Tr，フィードバック用FB Tr），2容量（安る．一方，遮光時（＝シャッタ閉）は，ITO電圧を下げ，定化容量Cs，カップリング容量Cc）から構成される．本上下電極間の電位差をゼロにする．有機光電変換膜内に回路では，ノイズキャンセル時の負帰還ループのゲイン電界が生じないため，光入射により有機光電変換膜内で（Negative Feedback Gain）を-Aとした場合に，RST Trの発生した電子正孔対は電極側に引き抜かれることなく，ノイズを元の値の1/(A×Cc/Cfd)，FB Trのノイズを1/√再結合し消滅させることができる．ITO電極はすべての(A×Cs/Cc)まで抑制できる．AかつCs/Ccを大きく設計することで，ノイズは5 μsの時間で電子数25e-から1.6e-まで抑制可能となる．また，Ccを用いてFD と分離されたFB Trを制御することで，負帰還制御のロバスト性を向上し，高速かつ安定したノイズキャンセルを実現することができる．

VV

Vito

Vitot
行<n>
行<n+1>
行<n+2>
行<n+3>
行<n+4>

行<n>行<n+1>
行<n+2>
行<n+3>
行<n+4>
ブランキング 露光

読み出し

ブランキング 露光（a）光電変換制御のグローバルシャッタ

4. 光電変換制御グローバルシャッタの開発
第4図にグローバルシャッタ画素の構造図を示す．従来のCMOSイメージセンサでは，画素内にメモリーを設けることでグローバルシャッタ機能の実現を図っていた
ため，画素内に追加したメモリー部が光電変換部面積をV
Vito

露光 1 2t

3薄い(感度:低)

行<n>行<n+1>
行<n+2>
行<n+3>
行<n+4>

濃い(感度:高)

t
動き方向
露光 1

ブランキング 露光

露光 2

読み出し

（c）感度可変の多重露光撮像

露光 3（d）感度可変の多重露光撮像イメージ圧迫し，グローバルシャッタ機能搭載時には飽和信号量

第5図

センサ動作タイミング減少という課題があった．そこで筆者らは，有機光電変Fig. 5

Sensor operation timing

36

読み出し

（b）露光時間可変の多重露光撮像

37

先端研究特集：有機積層型イメージセンサ -完全同時広ダイナミックレンジ技術，光電変換グローバルシャッタ技術の開発-

画素で共通に接続されるため，グローバルシャッタを実現できる．その後，遮光状態で行走査を行い，FD部に蓄第1表
Table 1

性能諸元Chip characteristics

デバイス構成積された信号電荷を順次読み出す．

有機膜+CMOS
65 nm CMOS 1P3Cu1Al

プロセス
センサタイプ

1画素2セルグローバルシャッタ

画素数（実効）970×550

1920×1080

第5図（b）に応用タイミングを示す．ITO電極にHigh

画素サイズ [μm2]6.0×6.0

3.0×3.0

期間の異なる電圧をパルス状に複数印加することで，露飽和電子数 [e-]600k50k, 210k

光期間の異なる多重露光が可能となる．また第5図（c）

ダイナミックレンジ [dB]12481

ランダムノイズ [e-]5.44.4

フレームレート [fps]6060

4.2 グローバルシャッタの応用機能に示すようにITO電極に異なる電圧をパルス状に複数印加することで，感度の異なる多重露光が可能となる．これにより，第5図（d）に示すように感度の濃淡により，1回の撮像で動体の形状・動作方向を正確かつ瞬時に捉え5.2 撮像実証とセンシング機能への応用ることができる．このように，ITO電極に印加する電圧〔1〕120 dB制御のみで，多機能なグローバルシャッタが可能となる．

第7図（a）に試作した1画素2セルセンサで撮像した画

WDR 撮像実証と応用像を示す．明暗差の非常に大きい高輝度ランプ前後の被写体（車や人形）を黒沈み，白飛びすることなくダイナ

5. イメージセンサ撮像実証と応用

ミックレンジ広く撮像することに成功している．また，120 dBを超えるWDR，光電変換制御グローバルシャッ

有機イメージセンサの広い回路領域をもつ構造を活かし，タの性能・機能を実証するため，画素を2次元に複数配列それぞれのセルに読み出し回路を独立に設けて大小2つしたイメージセンサチップを設計・試作した．のセルを同時に露光し，読み出すことができるため，第7図（b）に示すように高速な動体に対しても時間ずれな

5.1

イメージセンサ試作チップと性能諸元

く正確なセンシングを可能にする．

第6図にチップ写真を示す．65 nm CMOSプロセスを用

さらに本構成により，近年車載カメラで課題となっていて，チップ試作を行った．本チップは1画素2セルの6いる，高速に点滅するLED標識のフリッカ課題に対してμm×6 μm画素が970×550画素配列されたセンサおよび，も有効な解決手段となる．本構成では，高飽和セルで1003 μm×3 μm画素が画素数1920×1080で配列された画素倍明るい被写体を捉えることができるため，露光時間をアレイのものを各々試作した．Sub-LVDSインターフェー

短くすることなく，1フレーム期間にわたり露光し続ける

スにより60 fpsで信号を出力する．

ことができる．そのため，第8図に示すようにLED点灯の第1表に開発したチップ性能諸元を示す．6 μm×6 μm

タイミングによらず，すべての行においてLED点灯を捉の1画素2セル画素チップは，飽和電子数600 ke-，トータえることが可能となり，特別な対策構成や信号処理を追ルノイズ5.7 e-，うちリセットノイズ1.6 e-，2セル間の感加することなくLEDフリッカレス撮像を実現することが度比14倍で，完全同時ダイナミックレンジ124 dBを実現できる．

している．

〔2〕光電変換グローバルシャッタ撮像と応用
3 μm×3 μm画素チップによる，光電変換制御のグローバルシャッタ撮像例を示す．第9図（a）のローリング
シャッタ動作による動体の画像歪み対して，第9図（b）

電流源負荷

画素アレイ

垂直シフトレジスタ

垂直シフトレジスタ

Sub-LVDS

フィードバックアンプのグローバルシャッタ動作により高速に回転する扇風機の羽根の形を正確に捉えることができており，第9図（c）の露光時間を変えた多重露光に対しては1回の撮像でも最適露光条件を得ることができ，羽根に書かれている文

電流源負荷

字認識が可能であることがわかる．第9図（d）の感度のカラム ADC

異なる多重露光では，ボールの軌跡を捉え，感度の濃淡から動き方向の情報を得ることに成功している．本構成のグローバルシャッタ動作では，光電変換を行う有機薄第6図

試作チップ写真膜と，信号の電荷蓄積を行う回路部が独立な構造である

Fig. 6Fabricated chip micrograph

ため，メモリー部FDが光電変換部を圧迫しないため，従37Panasonic Technical Journal Vol. 63 No. 1 May 201738

来CIS [2] 比10倍の業界最高飽和210ke-を実現している．

123.8 dB

“1画素2セル構成”を用いた
有機CMOSイメージセンサによる撮像“高飽和セル”撮像

歪み（a）ローリングシャッタモード
扇風機の羽根382.7 dB（b）グローバルシャッタモード
ボールの軌跡
ボールの動き×露光過多“高感度セル” 撮像

2濃い(感度:高)○文字認識可（最適露光）

1×露光不足薄い12(感度:低)(c) 露光時間可変の多重露光撮像

0 dB（a）明暗差の大きい被写体の撮像例
走っている車走っている車6345(d) 感度可変の多重露光撮像

第9図

光電変換制御グローバルシャッタ撮像例

Fig. 9Image captured with photoelectric-conversion-controlled
global shutter

6．まとめ
1/60 秒の時間差有機光電変換膜をCMOSチップ上に積層した有機イメ
動体ブレ発生

完全同時撮像ージセンサの広ダイナミックレンジ技術とグローバルシャッタ技術を開発した．画素電極を大小に分割した1画素2セル構造の提案により，従来技術課題であった時間ずれ（b）高速な動体の撮像例

なく1回の撮像で120 dBを超える完全同時広ダイナミッ

第7図

ワイドダイナミックレンジ撮像例

クレンジ撮像を実証した．また，有機光電変換膜に印加

Fig. 7

Wide-dynamic-range captured image

する電圧を変化させることで光電変換効率を制御する技術を開発し，1回の撮像で動体・文字の認識や動き方向をVD

1フレーム = 1/60 s
点灯

LED(100120 Hz)

VD

消灯
露光

1フレーム = 1/60 s
消灯

点灯
LED
(100120 Hz)

露光検出するグローバルシャッタ機能を実現した．さらに本技術により従来技術課題であったグローバルシャッタ機
能搭載時の画素サイズと飽和のトレードオフ特性を飛躍的に改善し，従来比10倍の業界最高飽和を実現した．これらの有機イメージセンサの特長を活かした高性能化・行

高機能化技術開発により，屋内外，逆光下など明暗差の行

一部の信号が撮像されない全信号を撮像可能

大きなシーンでの撮影や，高速に移動する被写体の認識，動き方向検出を可能とすることで，従来の映像用途に加えて，新たなイメージセンシング用途への展開・拡大が期待される．

LEDフリッカ

LEDフリッカレス(a)従来 CMOS イメージセンサ(b)開発した有機 CMOS イメージセンサ

第8図Fig. 8

LEDフリッカレス撮像例

参考文献
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安富啓太

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先端研究本部 光応用プロジェクト室
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村上 雅史

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CMOS

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宍戸三四郎

Sanshiro Shishido

先端研究本部 光応用プロジェクト室
Applied Photoelectronics Research Lab,
Advanced Research Div.
博士（工学）
高瀬 雅之

Masayuki Takase

先端研究本部 光応用プロジェクト室
Applied Photoelectronics Research Lab,
Advanced Research Div.

三宅 康夫

Yasuo Miyake

先端研究本部 光応用プロジェクト室
Applied Photoelectronics Research Lab,
Advanced Research Div.

玉置 徳彦

Tokuhiko Tamaki

先端研究本部 光応用プロジェクト室
Applied Photoelectronics Research Lab,
Advanced Research Div.

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