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Imager マニア

デジカメ / デジタルビデオカメラ / スマホ用の撮像素子(イメージセンサ/imager/CMOSセンサ)について、マニアな情報や私見を徒然なるままに述べるBlogです(^^;)

ソニー ISSCC2011発表センサ ~恐らくソニーCINEALTA F65搭載センサに応用された

ソニーが昨年(2011年)のISSCC(←半導体業界のオリンピックと呼ばれるカンファレンス。論文採択率約3割の最も権威ある会議)にて発表したイメージャー(CMOSセンサ / CMOSイメージャー / 撮像素子)

上記センサはイメージャーマニアな私にとって(同じくソニーの”積層型イメージセンサ”と並び)最も興味あるセンサの内のひとつです。
 なにしろデータの読み出しレートが半端無く速い!!
以前このblogで書いた REDのDragonセンサ も相当なスピードでデータを出力してはいますが、既に1年前の時点でこのソニーがISSCCで発表したセンサは実画素数で勘案すると私の計算では2割くらいRED Dragonセンサよりも高速になるかと思います。
(ざっくりですが、RED:5K×2.7K/120fps。ソニー8K×2K/120fps。)


 一体全体どんな技術を使っているのか!?
一番上のリンク先のソニーの資料にも書いてありますが、何故か同じセンサについてデジカメwatchでも記事が書かれており、私にとってはこちらの方が詳細でわかりやすいです。
(しかし何故デジカメwatchという一般向けサイトでこんな詳細は記事が!?(^^;))

 センサ仕様概略としては・・・
有効画素数:1770万画素(8192×2160)
フレームレート:120fps
AD分解能:12bit@120fps時 / 14bit@60fps時
センササイズ:24.3×12.8mm (対角27.5mm)
画素ピッチ:4.2um□
消費電力:約3W
製造プロセスルール:90nmプロセス
データレート:34.8Gbps
Dレンジ(S/N比):77.6dB

 上記特にデータレートの仕様を達成するために、以下三つの新たな技術を投入したと言うことです。

1.Dual Row Readout(DRR)
2.Hybrid Column Counters
3.SLVS-EC(Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock)

1.については、イメージ的にはセンサを上下半分に分けて、上半分の画素は上方向の列回路へ、下半分の画素は下方向の列回路へ読み出すというものです。
上半分下半分で並列に読み出すため、2行同時読み(Dual row Readout)ということになります。
これにより単純に水平(1行)のブランキング時間を倍使っても同じフレームレートを確保できるという効果が得られます。(←水平のブランキング時間の短縮は撮像素子にとってS/Nを低減させる脅威です。恐らく本センサの77.6dB達成には欠かせなかった技術なのではと思います)
 また、垂直方向に読み出す時間を律速するのが、垂直信号線の寄生容量なのではないかと思います。
そのため、この様な読み出し方をすることにより、以下二つの効果で垂直信号線の寄生容量を半減することに成功したのだと思われます。
 1)垂直信号線につく画素のトランジスタの数が上下で分けることにより半分⇒トランジスタのソース容量半減
 2)上下半分に分けることにより垂直信号線の長さが半分⇒垂直信号線自体の寄生容量半減
 という二つの効果で垂直信号線の寄生容量が低減され、読み出しスピードを速くできるたのではないかと予想します。


 しかしこれ、画面の真ん中で段差画像になったりしないのでしょうか?(^^;)
ソニーの画処理技術ならそんな段差消しくらいおちゃのこさいさいなのでしょうか。


2.については、列ADの高速化及び低消費電力化に役立っているとのこと。

 撮像素子に載っている列ADはほとんどが(少なくとも市販ソニーセンサは例外無く)上記垂直信号線のアナログ電圧レベルを”時間カウントすることによって”デジタルデータへと変換しています。
 つまり真っ黒な画像は出力信号レベルが小さく、カウント(≒信号量を計測)するのに時間を要しません。逆に飽和レベルの大きな信号をカウントするのには、多くの時間を要します。
上記各画素の信号レベルをカウントするのに要した時間を記録することにより、画素のアナログ信号量をデジタルに変換すること(=AD変換)が出来ています。

 ではフレームレートを上げる≒センサから速くデータを読み出すにはAD部では何をする必要があるのか?

一番単純な答えは、上記ADのカウントスピードを上げることです。
今まで4096数えるのに10マイクロ秒かかっていたのを、数えるスピードを4倍にすれば同じ4096を数えるのに2.5マイクロ秒で済んでしまう・・・
 単純に書けば今回のISSCC発表のソニーセンサは上記の様なことをしているはずです。

 ”そんな単純なら最初っからカウント(数える)スピードもっとあげればいいじゃん”
と思われるかもしれませんが、技術的にはことはそこまで単純ではありません・・・ってか相当難しいはずです(^^;)。

 上記数をカウントupするタイミングを決めることを許されているのは基本センサの中で一人だけです(正確にはこのソニーのセンサは1.で上下に読み出されていますので、上下に一人ずつ計2人いそうです。更にひとつ目のリンク先のブロック図を見ると最終的に4辺からデータ出力されていて、このセンサはどうも上下だけでなく左右にも分割して読まれています。なので、上下左右の角に一人ずつ計4人いる可能性が大きそうです)。
何故なら勝手に色んな人にタイミングを委ねたら同じ信号量のはずなのに、人(=列)によってデジタルデータ量が異なってしまいます。←これは画素ごとのノイズ以外の何者でもありません。

 で、上記数のカウントupタイミングを決める代表者はセンサの端っこにいるのですが、この代表者に近い列のADは、カウントupタイミングを合図する声が良く聞こえます。
ところが反対側の数千列遠い列にいるADは、合図が良く聞こえません。
列AD自体は何を行うのかと言うと、1.の自分の列の垂直信号線のアナログ信号量が、自分がいくつとカウントした時と等しかったのかを比較して記録しています。

 この時どんどんカウントスピードを上げていくとどうなるのか?
代表者から遠い列ADは合図の声は聞こえにくいのに、その合図にピッタリ合わせて自分でカウントupしながら自分の列のデータ量との比較を正確に行わなければなりません。
スピードを上げていくと遠い列のADはその内合図についていけなくなって誤カウントしてしまうのです。←これも画素ノイズ及び縦の線傷の原因です。

 上記かなり嘘臭い例を挙げて説明させて頂きましたが、何故代表者から遠い列ADにカウントupの合図の声が聞こえにくいかと言うと、結局1と同じなはずです。
 上記”カウントupの合図の声”に相当する基準クロックを端から端へと伝達する電気配線に、自身の寄生容量と各列ADの入力負荷(ゲート容量)がつきます。
遠いところほど上記寄生容量は大きくなり、伝達したい基準クロックの波形鈍りを生じさせます。
更にスピードを上げすぎると、波形鈍りが酷くなり、遠い列ADに到達するころにはクロック波形が鈍りすぎて消えてしまっています。
こうなっては列ADはカウントが行えなくなってしまい、誤ったカウント値で記録してしまいまともなデジタルデータへ変換できなくなってしまうのです。


 前置きが大変長くなってしまいましたが、ここからが本題です。もう別のblog回に分けた方が良かったですね(^^;)。

”では今回のソニーのセンサではどの様にして上記課題を解決したのか?”

 言い換えると、どの様にして上記基準クロックを遠い側の列ADにまで波形鈍り少なく(≒波形duty崩れ少なく)到達出来るようにしたのか?
ですが、以下のことをして基準クロック配線の容量負荷を下げることにより、今までよりも速い基準クロックを端から端まで通すことに成功しているようです。

列カウンタの下位数bit(←今回は5bit)を列毎にカウンタ機能を持たせることをやめ、複数列(←今回は248列)にひとつ共通カウンタを具備させて、それを248列で共用させる。結果(少なくとも下位5bitについては)列カウンタの数が1/248に減り、基準クロック配線につくゲート容量もラフには1/248に減少させることが可能になった。

 上記だけ聞くと、”じゃあ今までよりも248倍くらい速いクロックが通せるんじゃないの?”
と思いそうですが、元々のクロックが既にかなり速いことと、更にはクロック配線自体の寄生容量も元々それなりには存在しているため、トータルの容量で見た場合上記施策を行っても1/248までは減少しないからというのが考えられます。

 また、順番が逆になってしまいましたが、”そもそも共通カウンタって何?”
という点については、
 まず列カウンタは、列毎に代表者のカウントupのタイミング合図を聞いて、各列ごとに自分自身で各々数を数えていました。
共通カウンタは、複数列にひとつ配置された共通カウンタが同様にカウントupのタイミング合図を聞いて数を数えます。そして自分の支配下の各列に対して(今回は248列に対して)のみ、数えている数自体を知らせます。←カウントupのタイミングではありません。数え終わった数自身を知らせます。
各列自身はカウント自体は行いません。自分の列のアナログ信号量と比較信号の値が等しくなった時に共通カウンタから知らせられたカウント値を覚えておく(記録しておく)だけです。

 ”じゃ何?最初っから複数列にひとつなんてまどろっこしいことしないで、ひとつの共通カウンタにしちゃえば、クロック配線のゲート容量1/列数に低減できてもっと速いクロック通せるようになるんじゃないの!?”

 こんな内容の長いblogをもしここまできちんと読んでくださっている方がいらっしゃったら、その方はきっともう上記の様な疑問を抱かないレベルの方だと思うので、この質問の答えは不要でしょうか?(^^;)
 上記では、基準クロックは端から端まで早いクロックを通す必要はなくなりますが、今度は共通カウンタが凄い速さで数えているカウント値を支配下の全列に伝えるための配線負荷が大きくなって、端の遠い列まで正確に知らせることが不能になるからだと思われます。


 ”AD変換の高速化については随分まどろっこしく書いてるけど、低消費電力化については全く触れてないじゃないか!”
 ごもっともです。
 しかし既に上記で触れた施策が低消費電力化も兼ねてしまっているのです(←ソニーの中の人に言わせれば、もしかしたら低消費電力化の方が優先課題で、高速化の方が副産物だとおっしゃられるかもしれませんが)。

 列カウンタ方式のADで最も消費電力が大きいのは最下位bit(←1の位ですね)のカウント時に流れる貫通電流と各ノードの充放電電流によります。
 各bitのカウントがいつ行われるのかと言うと、最上位bitはほとんどカウントされることはありません。仮に12bit目を最上位とすれば、12bit目カウンタが0⇒1に繊維するのは10進数で言えば2047⇒2048に変化した時だけです。
ほとんどカウントしていないので電流がほとんど流れません。
 しかし最下位bitはそうはいきません。基準クロックがくる度毎回カウントして電流消費をします。
列カウンタでは各列ごとに(今回のソニーセンサでは有効8192列+α列分)上記下位bitの電流が基準クロックの度に消費されます。←これが列カウンタ方式のADの消費電力の多くを占めているのです。

 なので、”下位bitに関しては列毎にカウントさせることをやめれば消費電力を大幅に低減可能じゃないか!”
との発想に立っても、今回の”複数列にひとつの共通カウンタを持たせる”施策は有効なのです。
今回のソニーセンサでは、下位5bitに関しては、カウンタの数が1/248に減っています。その分下位bitのカウント数は同じでもカウントして電流消費するユニット数自体が減っているので、トータルのADの消費電力は大幅に抑えられたということだと思います。
 このスペックのセンサで消費電量3Wというのは極めて優秀であると思います。
3Wだと、まだ民生の一眼レフデジカメに載せるには厳しい感じだと思いますが、ソニーのSINEALTA F65の様な筐体が大きく放熱対策が十分取れ、また超ハイエンドであるためバッテリーを多く積めるかもしくは電源を別取りしてくれるようなプロ機には搭載可能でしょう。うまくすれば一眼レフの最上位機にも「ちょっとバッテリーの持ちが悪いかな~」くらいでギリギリいけるレベルかもしれません。

 なので、今回のソニーの”2.Hybrid Column Counters”に関しては、高速化と低消費電力化を見事に両立する解決の手だった様です。凄い!!

最後に・・・
3.SLVS-EC(Scalable Low Voltage Signaling with Embedded Clock)
 についてはここでの説明を断念します(--;)
冒頭のソニーの資料のリンクのインタビューにもありますが、はっきり言ってimager-maniaがタッチする分野ではまだないです(私は全くの初耳でした)。
PCのPCI_express等に採用されている技術とのことでPC関連の方の方が詳しい分野と思われます。
 現状のデジタル出力撮像素子の出力インターフェースとしては、まだLVDSが主流と思います。
また勉強して、興味があったらこのblogで取り上げようかと思います。

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RED Dragonセンサ概観 ~NAB2012 REDブース~

IMG_3181.jpg












↑ NAB2012 RED(レッドデジタルシネマカンパニー)社のブースに展示してあったDragonセンサ概観 (表)

IMG_3187.jpg












↑ 同じく、センサの子基板裏面

IMG_3173.jpg












 ↑ 同じくNAB2012 RED社ブースのDragon(ドラゴン)センサアピール垂れ幕


 以前のBlog記事で紹介しましたが、NAB(←全米放送事業者協会主催の世界最大の放送機器展)に
米国はラスベガスまで、この四月に行ってきました。
その時に、RED社が新たなセンサの発表を行いました。
その名も”Dragon”センサ。
同社はいつも自社センサにネーミングをします。ちなみに現行RED ONEやEPIC、scarletに搭載されているセンサ名称は”Mysterium-X”です。

 冒頭二枚はそのセンサ(撮像素子/CMOSセンサ/CMOSイメージャー)の概観写真です。
RED社からは本センサを搭載したcinemaカメラの発表はなく、かわりに(?)現行EPICとScarletユーザーに対して、センサの載せ変えサービス(←当然有料)を「今秋始める」と発表していました。
RED ONEのユーザーは置き去りですね。「RED Oneユーザーは買い換えてください」ということなのでしょう(^^;)。
もしかしたら、センサだけ載せ変えてもRED ONEでは使用できない技術的な問題かもしれませんが・・・。


 冒頭二枚の写真は、厳密にはセンサ単体ではなく、センサ基板に実装された状態での展示になっています。
恐らく、このセンサ基板ごと、現行機種に入っているセンサと交換する形とするのでしょう。
同じ大判撮像素子が搭載されているデジタル一眼レフ機の基板と比べると随分とゴツイ・・・と言いますか、センサ評価用冶具に使う様な試作基板の様に見えてしまいました。基板上に載っているコンデンサ等の素子のサイズも大きめですし。
ま、デジタル一眼レフなどよりもREDのcinemaカメラの筐体サイズは大きいですし、このくらいセンサにスペースを取っても問題ないと言うことなのでしょう。でなければ元々センサ載せ変えサービス自体現実的ではないかもしれませんし。

 気になるお値段の方は、Epicで$6000、Scarletの方は$TBD(未定)となっていました。
カメラの販売価格が¥300万程度のEpicの場合「じゃあ載せ変えるか」とオーナーがなってもおかしくない価格かと思いますが、scarletの方は本体価格がざっくり¥100万前後。もし同じく$6000で設定してしまうとオーナーは載せ変えにはかなり及び腰にならざるを得ません。かと言ってよりお安く設定すると、Epicユーザーから「なんで同じセンサなのにEpicの方が高いんだ!!」とお怒りの言葉がくることが予想され。
さりとて双方ともお安く設定してしまうと、折角の新規開発センサの儲けがふっとんでしまい・・・
RED社としても非常に難しいところなのではないでしょうか(^^;)


 さて、順番が逆になってしまいましたが、垂れ幕を見ると、今回のDragonセンサの主要スペックは以下の様になっています。

■解像度:6K ←恐らくざっくり6K×3K
■フレームレート:120p @5K / ??p @6K
■公称Drange:15+ stop

 いずれもカタログスペックで見る限り、私が知る中では最高です。
まあ最高になる箇所だけ抜き出して垂れ幕でアピールしているという見方も出来ますが、いずれもセンサとしては主要な特性項目であるため、すばらしい数字であると思います。

 特にフレームレートは素晴らしいです。いったいどんな技術を使っているのでしょうか?
Dレンジに関しては、センサ単体だけでは決まらない要素でありますし、解像度に関してだけ見れば例えば一眼レフのニコンD800などは既に3600万画素ですので6K×3Kを越えています。
 しかしながらフレームレートに関して言うと、画素数を勘案するとこの価格帯で仕入れられるセンサの中では間違いなく最強です。
唯一価格を無視して考えた場合、ソニーF65搭載センサが、G画素は配列8Kで記録は4K×2K&16bit分解能ということでtotalで見ると若干上をいっている感はありますが、あれは¥600万のカメラに載っているもので、こちらは¥60万で載せかえられるセンサなので、同じ土俵にのせるものでもないでしょう。


 さて、最後に写真を二枚。
↓ 同じくRED社のブースで行われていた、4K&3Dのムービー上映 尺は長めで20分くらい


↓ 3D上映なので、その際に配られた3D鑑賞用のメガネ

RED総帥 ジム・ジャナードが、以前はサングラスメーカーのオークリー社長であったのは有名な話。
ここはぬかりなくメガネはオークリー製のものでした(^^;)
 

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Blackmagic design Cinema Camera (ブラックマジックデザインシネマカメラ) イメージャーについて ~縦長チップな件


 ↑BMDCC搭載センサの目視概観した結果のイメージ図

IMG_3148.jpg












↑ブラックマジック シネマカメラ展示 右の一台はマウント内部が覗ける状態に

 NAB show 2012 を見に先月ラスベガスまで行ってきたのですが、imagerマニアとして気になった素子は4つありました。
 1) REDのDragonセンサ
 2) キヤノンのC500搭載センサ
 3) Blackmagic design シネマカメラ搭載センサ
 4) ソニーのNEX-FS700搭載センサ

 1)及び2)は、私の事前の予想に反して、センサ(imager/撮像素子/イメージャー)単体での展示がありました。
それぞれのシネマカメラにおいて”センサも売りのひとつです!”というメーカーの意図を感じました。

 3)と4)に関しては、私が見た限りではセンサ単体展示は無かったように思います。
4)はともかく、3)のBMDCC(Blackmagic design Cinema Camara / ブラックマジックデザイン シネマカメラ)にとっては”撮像センサは一押しするほど売りではなく、安さ($2995)と小ささで勝負だよ”というところでしょうか。
現地で配布していた分厚い(←重くて辛かった(^^;))カタログにも、センサ写真は載っていませんでした。

 3)のセンサに関する仕様で公表されていることをまとめると以下の様になるかと思います。
■サイズ:ほぼ4/3インチ
■ダイナミックレンジ:13 stop
■横解像度:2.5K
■フレームレート:max 30p

 センサの製造メーカーについて、説明員に尋ねてみましたが「I don't know and secret.」とのことでした。残念(--;)

 BMDブースでは小さなスタジオセットが組まれていて、3台の動作実機が据えられていたのですが、ブースの反対側で、ガラスケースに入れられた実機が2台ありました(冒頭2枚目の写真)。
片方はレンズが未装着で、マウント内が覗けました。
大人気で人が多すぎ、写真におさめられなかったので説得力が著しく欠けるのですが、その時の撮像センサのイメージ図が冒頭の図です。

 ここで気になったことが一つ。
”チップが縦長”・・・
 上記は撮像領域を映画館のスクリーンの様に横長になるように見たときに、センサのチップ外形としては縦長になっていた・・・ということを言っています。

 これは撮像領域がそもそも小さい、例えば1/2.7インチセンサなどでは見られたりすることですが、フルサイズ、APS-C、4/3インチサイズ(≒撮像領域の大きさがチップサイズに占める割合が大きいセンサ)では今までなかったことではないかと思います。
私のひとつ前のblogトピックのEOS C300/500用のsuper35mm用のセンサは、写真を見ていただければ分かるとおり、横長のチップサイズになっています。

 一つわかることは、撮像領域に対して上下均等に周辺回路領域が取られていることから、撮像領域のデータは恐らく列毎に上下方向に交互に読み出されているということです。
 で、周辺回路領域の大半は、この列毎のデータを読み出す列毎の読み出し回路である可能性が高いと思いますが、それが異様に面積が大きく取られている意味は・・・・・・

 私にはわかりません(^^;)

 BMDCC(ブラックマジックデザインシネマカメラ)は、DaVinci Resolve9等のソフトを同梱して¥30万を切る価格帯のカメラですから、カメラ部品でコストのかかるイメージャーのチップサイズを無駄に大きくしてコストをかけるということはまず考えられないと思います。
 ですので、周辺回路面積を大きく取らざるを得なかった理由が必ずあるはずなのですが、今考えられるのは以下くらいです。

■"何らかの理由"で画素ピッチが小さく、その幅に合わせる必要のある列回路が縦方向に延ばさないと入らなかった
■何かチップ内の列回路で今までにない複雑な処理をする回路を設けて、その追加回路の面積分増えた
 
 例えば、キヤノンのEOS C300の様に、画素数を4倍持っていて、実際の画素ピッチは1/2。そしてそのデータをチップ内にて色毎に4画素分平均を取って、更に複雑なノイズキャンセル回路を通してチップ外に2.5Krawデータとして吐き出す・・・など。


 いつか真相が知りたいところです(^^;)。
もし、分かった方がいらっしゃったら是非教えてください(__)

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キヤノン CINEMA EOS SYSTEM C300及びC500の撮像素子は同一(な様だ)



NAB show 2012 @ラスベガスに先月行ってきました。
その際に、当然とういかキヤノン(Canon)ブースも回りました。

写真はブースに単体展示してあった、EOS C300のイメージャー(撮像素子/CMOSセンサ)です。
見ていただくと分かるとおり”EOS C300/C500 Sensor”と表示されていて、センサ自体は”一つだけ”展示してあります。
これの意味するところは・・・・・・

 キヤノンの公式発表(NABで持ち帰ったパンフ)では、二つのセンサの画素数は異なっていて、
C300:3840×2160
C500:4096×2160

そもそも「C300はフルHD解像度でC500は4K2K解像度なんだから兼用なんて出来る訳ないじゃん」と
今思われた方が多いと思います。
 が、C300は実は829万画素のベイヤ配列センサから、フルHD解像度画像を処理して作り出している(ある意味ダウンコン※)ため、センサ自体は上記の通り”ほとんど”4K2Kです。

(※上記詳細はキヤノンのHPをご覧ください。)
http://cweb.canon.jp/cinema-eos/lineup/digitalcamera/c300/feature-highquality.html

有効画素数として、C300はC500に対して、後横方向に256列不足しているだけ・・・・・・

 上記の様なことからC300とC500は同一センサ搭載であるという可能性は十分ある様に思いますが、如何でしょうか。


↓ NAB2012 Canonブースに展示してあった デジタルシネマカメラEOS C500
b4ac8d2a.jpg

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2012 NAB show レポート予定 4/14~

http://www.nabshow.jp/2011/

 今年、私NABに初めて行ってくる予定です。
imager(撮像素子)そのものの発表や展示はないと思いますが、現在デジタルシネマカメラが私的にも業界的にも熱いので、行ってみたいと思います。
凄いカメラがきっと発表されるはず。そしてそれに搭載されるイメージセンサもきっと凄いハズ!

以下、NABの概要です。

NAB Show とは?

NAB Showは、NAB (National Association of Broadcasters, Washington DC)により、世界最大級の映像・放送機器、デジタルメディアのコンベンション。

・90,000名以上の映像・放送機器、電子メディアおよびエンターテイメントのプロフェッショナルが集結

・150ヶ国以上からの出展社/来場者

 

  • ・500以上の技術能力を高めることが出来る充実したカンファレンスやセッション、テクニカルトレーニング
  • ・350億㌦以上相当のビジネスチャンス
  • ・80,000平方メートルの敷地面積に1,500社以上の企業が出展
  • ・1,300名以上の報道陣
  • ・85年以上にわたる業界牽引力

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