パナソニック，広ダイナミックレンジ有機CMOSを開発

パナソニックは，有機薄膜を用いたCMOSイメージセンサーを用いて，明暗差の大きいシーンを，従来比100倍のダイナミックレンジまで，時間差なく撮影できる，広ダイナミックレンジ化技術を開発した（ニュースリリース）。

従来のイメージセンサーでは，露光時間の異なる複数のデータを順次撮影後，撮影した複数の画像をデータ処理し合成することで，ダイナミックレンジの拡大を図っていたが，時間差のある複数画像データを処理するため，動きのある画像は歪んでしまうという課題があった。

今回，以下の3つの技術を開発した。
1．光電変換部と回路部を独立設計可能な有機薄膜を用いたCMOSイメージセンサー設計技術。
従来のイメージセンサーは，受光部のシリコンフォトダイオード，金属配線，カラーフィルタ，オンチップマイクロレンズで構成されており，光を電気に変換する機能，かつ，信号電荷を蓄積する機能は，共にシリコンフォトダイオードで行なわれていた。一方，有機CMOSイメージセンサでは，光を電気信号に変換する機能を，シリコンフォトダイオードに代えて有機薄膜で信号電荷を蓄積し，電気信号の読み出しを行なう機能を下層の回路部で，完全独立に行なっている。

光吸収係数が大きい有機薄膜を採用することで，シリコンフォトダイオードの数分の1となる0.5μmまで薄膜化を実現。従来のシリコンフォトダイオードでは2～3μm程度の深さが必要なため，光線入射角が30～40度に制限されていたが，有機CMOSイメージセンサー技術では，薄膜化により，60度の広い入射光線範囲を実現できる。このことにより，斜めから入射する光を効率よく利用することができ，混色のない忠実な色再現性を可能にする。また，レンズの設計自由度が増し，カメラの高性能化，小型化につながる。

有機CMOSイメージセンサーの構造は，画素内のトランジスタや容量などの回路部の上に，有機薄膜を積層する。従来のイメージセンサーでは，各画素にシリコンフォトダイオード以外の部分に光が入射するのを防止する遮光膜を形成する必要があったため，受光部分の面積が制限されていた。しかし，有機CMOSイメージセンサーでは，全面に有機薄膜を形成することが可能なため，センサー面上で受ける光を全て有機薄膜で受光することができる。これにより，従来比1.2倍の感度を実現た。

有機CMOSイメージセンサーの構造は，光を電気信号に変換する有機薄膜と，信号電荷を蓄積し，電気信号の読み出しを行なう回路部を完全独立に設計できる。このため，有機薄膜を自由に選択することで，波長，感度など，光を電気信号に変換する時の特性を自由に設定することができる。

また，従来のイメージセンサーでは，各画素に，シリコンフォトダイオードとトランジスタや容量などの回路を共に配置する必要があったため，回路の面積が制限されていたが，有機CMOSイメージセンサーでは，シリコンフォトダイオードを形成する必要がないため，シリコン基板上に，高速，広ダイナミックレンジ，高飽和といった高機能な回路を搭載することが可能になる。

特に，従来のイメージセンサーではシリコンフォトダイオードに蓄積していた信号電荷を，有機CMOSイメージセンサーでは光を電気信号に変換する部分とは別に，信号電荷を蓄積するための大きな容量を設けることで，蓄積電荷の飽和値を従来のイメージセンサーよりも飛躍的に増大させた構成を実現できる。

2．有機CMOSイメージセンサーの高飽和性と感度設定の自由度を活かし，1画素内に明暗2つの感度検出セルを備えた1画素2セル構成技術。
有機CMOSイメージセンサー特有の，光を電気信号に変換する有機薄膜と信号電荷を蓄積する容量部を完全独立に設計可能な画素構造，飽和性を活かし，1画素内に，感度の異なる2つの画素電極，信号電荷蓄積量の異なる2つの容量，2種類のノイズキャンセル構造のセルを設けた。こうした明るいシーンと暗いシーンを異なる構成のセルで同時に撮像することで，一回の撮像で，従来のイメージセンサ比100倍のダイナミックレンジ123dBを実現できる。セルの構成は以下の通り。

・セル1：高感度セル高感度画素電極＋小蓄積容量＋容量結合型ノイズキャンセル構造
・セル2：高飽和セル低感度画素電極＋大蓄積容量＋従来型ノイズキャンセル構造

この技術により，明暗差の大きいシチュエーションにおいても，高精度な高速撮像，ならびに，高速高精度な動体検出を可能とする。

さらに，「1画素2セル構成技術」の高飽和セルでは，低感度の状態で、読み出し時間以外，常に信号電荷の蓄積を実施している。そのため，現在，車載カメラ・業務放送用カメラなどで課題となっている，信号の撮像欠けによる，LEDフリッカ・蛍光灯フリッカの問題は発生しない構造となる。

3．暗い被写体撮像時のS/N特性向上のため，画素リセット時のノイズをキャンセル可能な容量結合型ノイズキャンセル技術。
有機CMOSイメージセンサーは，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。

この課題に対し，「容量結合型ノイズキャンセル回路」の開発により，発生したリセットノイズ自体をキャンセルする構成を開発した。この回路では，列毎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実施する。さらに，容量結合型の構成を用いることで，負帰還制御のロバスト性を向上するとともに，リセットノイズを1.6電子まで大幅に抑制することを可能としている。

この技術により，特に逆光やライト照射下に被写体があるような明暗差の大きいシーンの撮像においても，情報欠けなく，より豊かな色階調の再現ができるようになる。さらにこれまでのような露光時間を変えて順次撮影したデータを合成することがないため，高速に動く被写体の高精度な撮像が可能となる。これまで適用が困難であった高速で広ダイナミックレンジが求められるシーンを捉えるカメラやセンシング用途への適用が期待できるとしている。

同社は今後，この有機CMOSイメージセンサー技術を，監視・車載用カメラ，業務放送用カメラ，産業検査用カメラ，デジタルカメラなど幅広い用途に提案していく。