文部科学省と国立大学附置研究所・センター 個別定例ランチミーティング

第69回 静岡大学 電子工学研究所（2023.12.22)
12:05－12:10(5分） ： 研究所・センターの概要 所長 木村雅和
12:10－12:25(15分） : 教授 小野 篤史「プラズモニクスの光電子デバイス応用」
准教授 安富 啓太「高精度なToF距離イメージセンサ技術」
12:25－12:45(20分） ： 質疑応答

全電子式テレビジョンシステムの誕生の地

電子工学研究所
Research Institute of Electronics
1965

高柳健次郎 先生
The late Prof. K. Takayanagi

The First Electronic Television (1926)「私の全心霊は、静岡大学と1960.4.1～共にある」 1969.3.31

40 scanning lines and a television
picture rate of 14 per second

渡辺 寧（第4代学長）

Shizuoka University2

電子工学研究所 （ナノビジョンサイエンスの創成を目指して）
Research Institute of Electronics established in 1965

「ナノビジョンサイエンス」（ナノテクノロジーにより画像技術を根本から変革する新学術・技術分野の創出）

ナノビジョン研究部門
シミュレーション技術の研究、材料からデバイス研究、システム化研究と幅広く、新規イメージングに関する研究を行う

極限デバイス研究部門
エレクトロニクス、フォトニクス、サーモエレクトロニクスなどの幅広い先端医療を支える研究分野で、極限的特徴・性能をもつデバイスの研究・開発を行う
生体計測技術の研究開発

 CMOS技術をベースにした、高性能・高機能イメージセンサとアナログ（Mixed-Signal）集積回路の研究 圧縮センシングに基づくコンピュテーショナル超高速カメラ
 X線、γ線などの高エネルギー線用の高性能・高機能イメージセンサの研究 半導体中性子検出器
 不可視光イメージングのための高性能・高機能電子源の研究

ナノマテリアル研究部門

 少数の電子やフォトンの検出・制御による極限的低消費電力デバイス・回路
 シリコン中のドーパント原子1個によって特性が決まる原子デバイス
 レーザリソグラフィー技術によって作製したマイクロ・ナノフォトニック構造をもつ新しい光機能デバイス
 シリコンナノ構造を用いた高効率熱電変換デバイス、光と金属を駆使した高効率光エネルギー変換デバイスの研究

生体計測研究部門

ナノマテリアルを創製し、これらの構造（ナノ構造、結晶構造、バンド構造など）を制御することで新しい機構の発現の研究

エレクトロニクス、フォトニクス、メカトロニクス、マイクロ・ナノサイエンスなどの研究分野で、新しい生体計測/加工装置などの研究・開発を行う

 機能性ナノセラミックスの薄膜及びバルクやハイブリッドナノ粒子を創製とこれらの構造の制御による新しい機構の発現。
 熱電変換材料、光電変換材料、熱光起電材料と発光材料の合成
 生物由来のナノマテリアルである生体膜や蛋白質、およびそれらの集合体である細胞を研究するための新しいイメージング法の開発とそれを駆使したバイオナノマテリアルの機能やダイナミクスの素過程の解明

 生体細胞計測に適用可能なプローブ顕微鏡 レーザーを用いた細胞の補足・加工や計測、光を用いた酸素濃度/血流計測 微小頭蓋内脳波計測電極/自動展開型硬膜下電極アレイ
 脳深部温度無侵襲計測装置の研究開発など

Shizuoka University3

電子工学研究所が実現を目指すイメージングデバイス
時空間軸
極限時間分解能より速い
1 asec

波長軸現状の撮像デバイス（ＣＣＤ，ＣＭＯＳ）

化学反応 高分子内の 金属の結晶初期過程 エネルギー移動 破壊 最高速カメラ

1 fsec1 psec1 nsecセキュリティー・環境

1 sec

ナノテクノロジー・材料・生命科学
物質・細胞内の極短時間変化過程の可視化

原子・分子を識別した
透視画像化

1 m（細菌）

100 nm（ウイルス）

極限空間分解能医療・生命科学

不可視現象の可視化

強度軸10 nm （高分子）

細胞内可視化

超高ダイナミックレンジ
高強度光検出1 nm（分子） より
小さな

多様な現象の可視化

単一光子検出Shizuoka University4

静岡大学のイメージング分野の研究拠点化の取組み
2002年より～85億円の国プロの獲得

静岡大学
Imaging Sevens構想

光創起イノベーション研究拠点
2015年
開所

浜松ホトニクス、浜松医科大学、光産業創成大学院大学、静岡大学◆ 時空を超えて光を自由に操る社会の実現

5

2016年 ● 地域イノベーション・エコシステム形成プログラム

2013年 ● COI-S拠点● 国際科学イノベーション拠点整備事業

2012年 ● 地域イノベーション戦略支援プログラム
電子工学研究所設立

2007年 ● 第2期知的クラスター創成事業

1965年 ◆ 極限イメージングの追求

2004年 ● 21世紀COEプログラム
2002年 ● 第1期知的クラスター創成事業
40 scanning lines and a television
picture rate of 14 per second

1926年 ● 全電子式テレビジョンシステム誕生

The late Prof. K. Takayanagi

Shizuoka University5電子工学研究所の概要と実績（R4）6

生体医歯工学共同研究拠点: 東京医科歯科大学生体材料工学研究所，東京工業大学未来産業技術研究所，広島大学ナノデバイス研究所および静岡大学電子工学研究所の連携研究機関の機能融合により，生体医歯工分野の先進的共同研究を推進し，我が国の生体材料，医療用デバイス，医療システムなどの実用化を促進する拠点形成を目指す．
教職員

人数

国際連携（R4）

件数

教授

25

学術国際協定6

准教授

16

国際研究プロジェクト

2

講師

1

派遣状況

助教

4

招聘状況

事務職員

12

共同利用・共同研究 状況件数

論文数121国際学術論文

107

研究所

8Top 10%論文（直近）

14

参画機関

96

外部資金(R4)

件数

金額（百万円）科研費 27 (S:1,A:3)

132.7

その他補助金142.9

27

教員一人当たり

0.6

3.7

15

民間との共同研究

２７

92.2

受託研究

14161.7

奨学寄附金

1226.3

電研発スタートアップ：７社
社会的なインパクト
8K イメージセンサ、TOFイメージセンサ、フォトンカウンティングＸ線イメージセンサ
Shizuoka University光応用分野の研究者の集積（電子工学研究所）
新産業創出に向けた地域エ
コシステムのコア拠点として地域・産業界と連携し、グローバルに展開する世界のイメージング研究をリードする研究者を電子工学研究所に結集する

世界的な研究開発機関とのグローバル連携（研究・教育・人材育成・産学連携）

Shizuoka University

7

プラズモニクスの光電子デバイス応用
小野 篤史
2006. 3. 大阪大学大学院 工学研究科応用物理学専攻
博士後期課程修了（博士(工学)）
赤外近接場走査型光学顕微鏡の開発
2006. 4. 独立行政法人理化学研究所

ナノフォトニクス研究室

基礎科学特別研究員
超解像金属ナノレンズの提案
2009. 1. 静岡大学 若手グローバル研究リーダー育成拠点特任助教（テニュアトラック）
電子工学研究所 兼任
2013. 4. 静岡大学工学領域電子物質科学系列

准教授

2021. 6. 静岡大学工学領域電子物質科学系列

教授「プラズモニクス」金属ナノ構造作製技術，光電子デバイス応用

Quantum efficiency

シリコンイメージセンサの近赤外感度向上技術
1.0

Si absorption layer thickness t
t =50 µmt =10 µm@940 nm

1.0

近赤外波長域の検出には~50 µm以上のSi厚さが必要

NIR

t =3 µm
0010204050400600 800 1000 1200 030
Wavelength (nm)Si absorption layer thickness (µm)

動作速度の低下
高アスペクト比構造形成が困難
Siイメージセンサ

画素間クロストーク

Si 層を厚くすることなく感度を向上する新技術が求められる．

A. Ono et al., Opt. Exp. 29, 14, 21313 (2021)

本研究提案

準表面プラズモン共鳴によるプラズモニック回折
準表面プラズモン共鳴

表面プラズモン共鳴 (SPR)
入射光
AirSi

入射光
金属回折格子Air

金属回折格子

SiSPR

プラズモニック回折

電場ベクトル分布

90°回折条件
SPR
0

波数kx (/cm)
準共鳴状態( )において光はシリコン側に回折する.

-250 Airz (nm)

1
反射率

周波数ω (rad/s)

大きな回折角度かつ高効率にプラズモニック回折することを発見.

0|E|2 5Ag

250 Si-250

プラズモニック回折
0x (nm)0250

プラズモニック回折z (µm)

-3Air

SiO
20Si
3-5

入射光(λ940 nm)|E|2

回折角度の理論式
1θd = arcsin nmλpSi= 80.6°

銀回折格子
80.6°

m=1, nSi=3.595, p=265 nm
00x (µm)5
反射 7.5 %銀吸収 4.2 %前方散乱 49.7 %(回折効率)

後方散乱
3.9 %Si吸収 6.0 %透過 28.7 %銀回折格子に励起される準表面プラズモン共鳴によりSi吸収層側に大きな回折角度80.6°，高い回折効率49.7 %にてプラズモニック回折することを明らかにした．

T. Yoshinaga et al., Opt. Exp. 30, 20, 35516 (2022).

積算吸収率 (%)

z (µm)

プラズモニック回折を利用した画素内光閉じ込めによる-3 Air
近赤外光シリコン吸収効率の向上|E|2 1
近赤外光
銀回折格子
SiO
20銀回折格子Si3 SiO2凸構造
銀トレンチ
CuSi0凸構造
銀トレンチ
SiO2SiO27Cuミラー（配線層）-505x (µm)
反射 10.0 %53.3 %
50 λ940 nm
後方散乱
銀吸収 12.8 %
5.1 %
40
光閉じ込め
308.2 倍厚さ3 µm Si吸収 53.3 %2010ベアシリコン 6.5 %トレンチ吸収
透過 6.9 %003.011.9 %シリコン深さ (µm)
厚さ3 µmにおけるシリコン積算吸収率は53.3 %を達成し，銀回折格子のない場合と比較して約8.2 倍の吸収効率の向上を示した.

アクティブプラズモニクスの開拓
基板伸長

基板未伸長

単一プラズモン

凝集プラズモン

銀ナノキューブ単層集積膜
伸縮性基板
伸長制御

Transmittance

入射光

透過光色の変調

基板伸縮による共鳴波長制御

Wavelength (nm)

銀ナノキューブ単層集積膜

PDMS

断層像

AgNC monolayer
2 µm

100 nmPDMS

500 nm基板伸縮に伴うプラズモニックカラーチューニング
銀ナノキューブ単層集積膜

実体顕微鏡透過光像
透過光

Eyk 入射光Ex

200 µm伸長
1 cm0.8

伸長率
E 0%

4%

8%

10 %

12 %

14 %

16 %

20 %

0.6
20 %
y 0.40%0.2

100 µm

sRGB
000.2

0.4
x0.6

0.8

A. Mizuno and A. Ono,
ACS Appl. Nano Mater. 4, 9721 (2021)

総括

プラズモニクス

ものづくり (金属ナノ構造作製技術) を基礎とした新しい科学の創成，新規デバイス開発と産業貢献
紫外領域

赤外領域
各波長帯に対して学問展開

フォノンエンジニアリング
バイオロジーマテリアルサイエンス エレクトロニクス✔ マルチスペクトルイメージセンサの開発✔ アクティブプラズモニクスの開拓✔ 超解像金属ナノレンズの開発✔ 紫外生体プラズモニクス✔ 偏光と光強度の 2 次元分布制御による超微細金属造形技術の創成✔ 近接場赤外吸収分光イメージング

高精度なToF距離イメージセンサ技術
静岡大学 安富啓太
Keita Yasutomi, Shizuoka University
参考となる日本語資料（一部）：
JST新技術説明会「高精度な距離・形状測定を実現するTOF距離イメージセンサ」
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Time-of-flight(TOF)距離イメージング
対象物に光を照射し、反射光が戻ってくるまでの時間を計測することで対象物までの距離を求める方法
Back ground lightLight source
Distance:LObject

Light source

ToF Range Imager

LED
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory1
𝐿 = 𝑐 ⋅ 𝑡𝑇𝑂𝐹
2c ： 光の速度[m/s]tTOF: 光の飛行時間(往復) [s]Application of 3D imaging
Resolution Limitof Standard TOF cameras

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Range resolution
No. 3

Development in Shizuoka Univ.
Development 3:
Based on SOI Pixel
Detector: High Q.E.
（>90%）@950nm

This talk

Development 1:
Multi-tap & Highspeed lock-in pixel+ Hybrid ToF

Development 2:
High-range
resolution ToF
Imager <100μm

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Range resolution

No. 4

Potential Merits of ToF-Based 3D Scanners

ToF-Based 3D Scanners(1) Compact head(2) Working distance control
Scanning
Working distance can becontrolled electrically.

No baseline is required Compact head + Occlusion-less

Conventional(Active Triangulation)

TargetConventional(Active Triangulation)
Scanning
Should be controlled
within working distance.

Detector
Baseline is required

Emitter (or Detector)
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

TargetToF 3Dスキャナの付加価値
材質識別

ミラーを用いた多視点計測

K.Tanaka, Y. Mukaigawa et al. (NAIST),“Material Classification from Time-of-Flight
Distortions”, CVPR17.

K.Yoshioka al. (Keio), “Through the Looking
Glass: Diminishing Occlusions in Robot Vision
Systems with Mirror Reflections”, IROS 2021.

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Range Precision in iToF Ranging

𝜎𝑗2TPW
Light source
Received
lighttTOF
N1Time gate
G1 1

N2

Time gate
G2 2ToF calc.

tTOF

𝑁2t TOF = 𝑇𝑃𝑊
𝑁1 + 𝑁2

NS≒N1+N22Range precision

2𝑇𝑇𝑃𝑊𝑃𝑊22
𝜎𝑇𝑜𝐹 =+ 𝜎𝑗 ∝+ 𝜎𝑗2
𝑆𝑁𝑅𝑁𝑠Jitter
Phton shot noise# of scale=SNR≒ √NS

Measurable range≒TPW
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

Resolution(=Precision):
No.7 σL主要技術

工業計測（３Dスキャナなど）に向けた高精度なiTOFセンサを開発

距離精度（1σ） <30µmを実現
主要技術1
光電流のインパルス応答を利用した新TOF距離計測手法(IPR-TOF)

主要技術3
カラム並列スキュー補正回路

主要技術2

高速ロックイン画素(=ラテラル電界制御変調画素)

LEFM
Lock-in Pixel
Column-parallel Folding
Integration/Cyclic ADC

TOF 距離計測

Skew calibration circuits

計測対象

TOF range imager

主要技術4 参照光サンプリングによるジッタ低減(RPS)
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory光・電子融合によるジッタ低減技術
CI-RPS: Charge-Injection RPS
光源ジッタ・ドライバジッタの両方をキャンセル可能

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

K.Yasutomi et al. ISSCC 2022

電荷注入による疑似光入力を利用Performance Comparison
Ref.

[2]
ISSCC’18[3]ISSCC’21[5]ISSCC’16

Our work
JSSC ’19

Our work
ISSCC 2022

Architecture

CW-TOF

CW-TOF

FMCW

SP-TOF

SP-TOF

Technology

65nm BSI

65nm BSI
65nm Logic

110nm CMOS
250nm Si-ph

110nm CIS
(FSI)

110nm CIS
(FSI)

Effective pixels/ Receiver channel

1M

0.3M(*2)(1.2M)

1

192 x 4120

Wavelength

860nm

940nm

1550 nm

473nm

473 nmEmitter power

75mW

NA10mW

0.4mW

0.8mW

Frame rate
(Pixel rate)

30fps(30MHz)60 fps(18MHz)180kHz24.6fps(4.7kHz)

360fps/36fps(43kHz/4.3kHz)

Measurable range

0.2-1.8 m

0.4-4.0 m

0.8mm

8mm

25mm

23mm

Range Precision@short/center distance

400μm(*1)@20cm

800μm(*2)
@40cm

8μm
@5cm

1mm
@30cm

64μm
@14.8cm

55μm/38μm@25cm

Precision/Distance

0.2%

0.2%

0.016%

0.3%

0.04%

0.022%/0.015%

最近の測定結果では，41µm(single frame)/25µm (10 frame)まで改善[佐川他, 2023年映像情報メディア学会年次大会]
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

K. Yasutomi et al. JSSC, vol. 54(8),2019.

Captured 3D images
w/o RPS (σ=180μm)

100 frame
averageLine imager : 192 x 4 eff. pixels
Φ20mm

w/ RPS (σ=64um)

Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory

100 frame
average50mm

An example of 3D scanning (using RPS)

32mm

The synthesizeddata are createdby 5 measured
point clouds.
Shizuoka University
Imaging Devices Laboratory