Imager マニア

どこぞの会社のスマホは遂にフロントカメラがダブルで、なんとリアはトリプルに・・・
流石にこれが今後すぐにスタンダードになるとは思えませんが、しばらく後にこれが普通になった暁には、撮像素子メーカーはウハウハですね(^^;)

　今年6月のIISW2017のpaperが早くもオープンに。

そしてクロノカム。
この会社、最近名前を聞き出す様になった、ある閾値以上の電荷が蓄積された画素信号だけ読み出すという方式(？←まだよく調べていないのでもしかしたら間違っているかもしれません)イメージセンサを売りにしている会社。
所定のフレームレートでいつも読みだすという通常の撮像素子に対して、低消費電力でデータ帯域を圧迫しないことが特徴らしいのですが、ストレートに言うと車載センサ狙いだと思われます(もちろん他用途も狙っているでしょうけれど・・・)
今回遂に製品を世にリリースする運びの様子。
いずれ弊blogでもフィーチャーしてみたいと思っています。


　しかし今週は、IISW2017から。
こちらも以前から私が気になっていた新興(？)企業の、これまた通常とは一風変わった撮像素子を取り上げてみたいと思います。
その会社の名前はInviSage。
どこが一風変わっているかというのはこちらのpaperからざっと本当に簡単に。

[4回]

上表は、リンク先のpaperから引っ張ってきた、実際に発表された主要な特性一覧です。

後で他の適当なセンサと比較してみたいと思っていますが、
私の感覚(？)からすると結論として、

感度　　：良い
赤外感度(量子効率)：超優良
飽和　　：良い
暗電流　：very poor (^^;)
Darkノイズ：poor

という風に感じました。

　その他、今回は
画素ピッチ　　　　　　：1.5um□
光学フォーマットサイズ：1/7.5インチ
画素数　　　　　　　　：1280×960
使用プロセス　　　　　：130nmCMOSプロセス
1画素のトランジスタ数  ：3　(select、SF、Reset)
そしてグローバルシャッターセンサという特徴が。

今回の発表では、具体的には屋外での赤外カメラ用途を考えている様です。

　ではこのセンサは何が通常の撮像素子と異なるかというと、以下introductionより。

・従来のCMOSウェハ上にスピンコートで量子ドット材料の薄い膜を載せる
・その量子ドット膜自体が、入射光を直接電子-正孔対へと変換
・その量子ドット膜に十分な電界を掛けておくと、電子と正孔が膜の上下の電極にそれぞれ別れて集積される

　つまり、信号読み出し回路は通常のCMOSイメージセンサと同様、シリコン上に作りこまれた回路を利用し、
通常のシリコンベースの撮像素子と大きく異なるのは、このInviSageのセンサにはフォトダイオードが無く、
その代わりの光電変換するために、”量子ドットの膜”とやらを用いている・・・
ということの様です。

冒頭の特性表の様な特徴ある特性が出てくるのは、この量子ドット膜(と一部その読み出し方法)のためということですね、きっと。

ちなみにグローバルシャッタなのは、恐らくこの方式だとどうしても画素内に別途膜で光電変換された電荷を一時保存しておくためのメモリが必要になるため、
それだったら最初からメモリが画素内にあるならグローバルシャッタでいいよね
という思想だと思います。
(もしくは言い方を変えると、ローリングシャッタ動作にしてもノイズが減ったりはしないから、じゃあグローバルシャッタでいいよね　となったという見方もできますか)


赤外感度が超優良・・・と冒頭書きましたが、実際のこのセンサの量子効率の波長依存性が、上左図。
具体的には、940nm(←赤外)で40%以上とのこと。

これは数字的にはシリコンベースの撮像素子と比較すると恐らく驚異的な数字のはずで、
データは古いですが、以前の弊blogで掲載したPOINTGREYという会社の産業用カメラ搭載撮像素子の数字では、
950nm波長での量子効率はAptina(←当時)のセンサの15%が最高の数字です。
同様に850nm波長でも32%が最高ですので、850nm波長の赤外の量子効率においてもこのInviSage発表センサが同等以上の特性を持っていることが、上左表から読み取れます。

上右写真は(なんかピンボケしてますが(^^;)、
　”1/7.5インチセンサ小さいでしょ”(≒機器小型化に向いてるよ)
ということでしょうか。


↑共に3um画素ピッチ同士の、　左：従来CMOSイメージセンサ　右：InviSageの量子膜センサ
同等強度の940nm光源下での画像比較

”InviSageの量子膜センサの方が感度高いでしょ”
のアピール。
因みにmaxSN比としては、従来センサが40dBに対してInviSageの今回のセンサは46dBとのこと。
(6dBは丁度2倍SN比が異なる＝良好ということ
←しかしこれはmaxSN比なので、恐らくダークノイズの悪い値はショットノイズに埋もれて、基本的には飽和電子数の大きさが表れている特性)


↑こちらは”本文中のアピール文通りに言えば”

同様に940nmの同一光源下において、
3um□画素ピッチでVGA(約30万画素)の従来センサ(左)
　と
1.5um□画素ピッチで100万がその量子膜センサ(右)
　とで、
”画素面積比に合わせて露光時間を調節した場合に”(≒つまりは量子膜センサの方がトータルの光量は多い状況)で、
”量子膜センサの方が従来センサに対して解像感が良いでしょ”
の主張・・・

ですが、いやいや、そりゃ画素数違うセンサ同士で比較して”解像度が高いor低い”とか比較してはダメですよね？と思うのは私だけでしょうか？(^^;)



↑これは若干図だけではわかりにくいのですが、
最終的には、”弊社のセンサの方が従来センサに対して、赤外カメラで照射する赤外レーザーのpowerが小さくて済みますよ”のアピール
　オレンジライン：invisage
　青ライン　　　：従来CMOSセンサ
　　縦軸はSN比
便宜上SN比が5以上(つまりセンサの出すノイズよりも信号量が5倍多ければ)”使える絵になる”前提で、SN比が5以上になるのに必要なレーザーパワー(横軸)を算出したもの

更にラインが2本ずつあるのは、屋内と屋外のもので、
屋外の方が環境光の中に外乱＝ノイズとなる赤外光が多いため、双方のセンサとも屋外の方が同じレーザーパワーでもSNが悪くなっているという図の様です。


残り、最初の表の以下特性についての比較ですが、
感度　　　：16000e-/lux/sec
飽和電子数：12000e- (電子)
暗電流　　：600e-/pix/sec
Darkノイズ：19e- (電子)

うまいこと、すべての特性が同時比較可能なので、2年前のIISW2015のONSemiconductor製センサとの比較にしますが、
上記リンク先のセンサは画素ピッチが1.1um□なので、飽和と感度に関しては不利になりますので、”それら二つの値は画素面積分(約1.86倍)分補正したとしても”
以下の値となります。

ONSemi製、1.1um□画素ピッチセンサ(感度と飽和は画素ピッチ1.5umに単純面積補正済み)
感度　　　：6882 e-/lux/sec
飽和電子数：7626 e- (電子)
暗電流　　：5.3 e-/pix/sec @60℃　(InviSageセンサの暗電流測定温度は不明)
Darkノイズ：3.7 e- (電子)

　2年前のセンサとの比較とはいえ、
感度と飽和電子数は、赤外量子効率と共に画素ピッチの割にはとても良い値を叩きだしていることがわかります。
(私の感覚では、このOnsemiセンサの特性が特にpoorということも無いと思います)
半面、InviSageセンサの暗電流とDarkノイズの値は、poorだなと(^^;)

ただ、暗電流の値に関しては、このセンサが60fpsというフレームレートを示していて、具体的には動画用センサを想定している(更に具体的には監視カメラ用？)と思われるため、
その様なフレームレートでは暗電流の値は気にならない可能性があります(まあ桁が2つ違うので無視はできないかもしれませんが・・・)
残るは公表されている値でネガティブなのはDarkノイズのみ・・・
他のアドバンテージと天秤に掛けて、この公表された特性に嘘が無ければ、用途によっては採用を検討するカメラメーカーがありそうな気もします。お値段という超重要ファクターは不明なので考慮できていませんが・・・(^^;)
(↑※一眼レフとかコンパクトデジカメとかスマホの話では無く、監視カメラ用途や産業用カメラ向けとしてという意味です)