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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(^^;)

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ニコンD5200搭載東芝製imager ~chipworks記事意訳

 前回エントリーにて速報したニコンD5200搭載ACS-Cイメージセンサ(imager/撮像素子)が東芝製であった件

(間違いなくCMOS imagerだと思いますが、まだそれが確認できる情報を私は持っていないので、CMOSという文字はあえて外してみました(^^;))

以下、解析したカナダのチップワークスという会社の記事を私なりに意訳したものを以下に記したいと思います。

d5200-sensor-closeup2.jpg














例によって、最初のbodyの分解の箇所はすっ飛ばし(笑)、中段の”Toshiba image sensor found inside"から。 

 我々の最近のテクノロジーblog エントリーフルサイズイメージセンサを扱った
そしてそこでフルサイズCMOSイメージセンサの領域に新規参入組が出てくる可能性を予見した
しかし、APS-Cサイズセンサの領域で、東芝がニコンD5200のメイン素子の座を勝ち取るとは思ってもみなかった

 何故東芝製だとわかって驚いているかだって?
もしあなたがニコンのAPS-Cクラスセンサのために新しいベンダーを探さなければならないとしたら、
あなたはきっとAptinaを選ぶだろう?
だってAptinaは既にニコン1のシステムカメラのイメージセンサの座を勝ち取っており、かつAptinaは以前に既にAPS-Cサイズ素子を持っていたのだから。
MT9H004は16Mpixのセンサで、DR-Pix(←恐らくダイナミックレンジが自慢の回路方式を指すと思われる表現)へのアプローチとしてAptinaのdual conversion gain方式(←恐らく読み出し回路のAD変換回路に使用するゲインを2種類組み合わせることによりダイナミックレンジを稼ぐ方式)を採用している。
上記素子はAPS-Cサイズクラスの一眼レフデジカメやミラーレス一眼デジカメをアプリケーションとすることが多い。
しかし、我々は上記素子がどこかのカメラに採用されたとは未だ聞いていない。
Aptinaとニコンの間にある良好な関係のために、あなたはD5200のための24.1MpixセンサがAptinaによって開発されるだろうと予想しただろう?


 東芝は公式に「2015年にはモバイル用の撮像素子分野でシェア30%を取りに行く」と積極的なアナウンスを行っている。我々は東芝の裏面センサ技術を持つことを知っている。
しかしながら、その積極的な展開もAPS-Cサイズクラスの領域までは進出しないだろうと思っていたところへ、今回の破壊的なイベントによって我々は喜びの驚きに包まれた。
 我々は今までニコンは自社設計(そしてルネサスFab製)のAPS-Cセンサかもしくはソニーのそれかのどちらかのセンサ採用しか見たことがなかった。今後は東芝が加わったことによって、ニコンに使われるシリコンベンダーは本当に各種取り揃えられてmixされることになった。

 最終的に、我々の分析は下表の様になり、東芝は新しい素子を製造するために先進的なCu(銅配線プロセスの)Fabを使っている。

Company

# of Pixel
Metals

Pixel Metallization

Canon

3

Al

Foveon

4

Al

Nikon

3

Al

Samsung

3

Cu

Sony

3

Al

Toshiba

4

Cu

APS-C Format CMOS Image Sensors Analyzed by Chipworks


 基本的にはここまでです。後は「詳細解析したんでそのレポートを買わないかい?」というようなニュアンスの文章が続きます(^^;)。

 最後の文章で「Cu配線使用プロセスを用いている」ということが明言されていますが、上記の表を見ると触れられていないもののもう一つ重要な情報が記されていることに気づきます。
APS-CサイズセンサをCu配線で作っているのはサムスンと東芝の2社だけで、かつ配線層数が4層なのは東芝だけ”ということです。

 サムスンと東芝の二社がCuプロセスというのは、二社がNANDフラッシュに強いというのと因果関係があるのでしょうか?それとも単なる偶然でしょうか?
二社ともNANDフラッシュのメモリ用のCuプロセスがメモリの不調で空いていて、「空いたところで何か流すものないかな~?」と探していた、撮像素子というそれなりに数が出て利幅も取れるアプリを見つけて商売始めた だから2社だけCuプロセスになっているとかだったりするのでしょうか(^^;)

 そしてやはり東芝だけ4層というのが気になります。しかも表に詳細な説明がないので理解間違っているのかもしれませんが、”of pixel Metal”←画素メタル配線層が4層ということです。
Foveonが4層なのはわかります。他のセンサに比べ、あの方式ですから画素から3倍分の読み出し回路を搭載する必要があり、回路が多いです。なのでむしろ「よく4層でどうにかなってるな~(←まあどうにかならないので今以上に画素数を増やすことが出来ないのでしょうが)」という気がします。
 東芝の場合、一つだけ私が納得できる理由があるとすると、それは”動画もしくは静止画の読み出し速度が爆速で、画素部の垂直信号線(←画素部から周辺回路へ信号を読み出すための配線)が1列につき2本(ないし複数配線)必要だから、画素部の配線層が4層になる”
なのですが、24Mpixの画素数とはいえ、D5200の仕様を見ると、静止画は5駒/Secで、動画もmaxでフルHDの60fpsです。まあ速いのですが、他のカメラスペックと比べて今時分としては決して突出しているものでもありません。

 上記疑問に対して私がたどり着く結論は”周辺の読み出し回路でメタル配線が4層必要になった。で、画素部は周辺回路にひっぱられて4層のメタルが(ある意味)ただいるだけ”。

 まあ、中身を見た訳でもないし、見れる訳でもないので上記が当たってるかどうかなんて全然わかりません。
しかしやはり、今回の東芝センサの画素部の4層メタル構造は周辺回路に引っ張られており、前回前々回のエントリーから気になっている”上下の周辺回路面積の非対称性”に起因しているように思えてなりません。
あの幅の太い上側に、何か複雑というか面積を食う回路が埋め込まれており、その回路面積を少しでも抑えるためにメタルの4層目の配線が必要になってのではないでしょうか。

 上記の謎が解ける日が来るのを願います。
もしくはご存知の方教えてくださいm(__)m

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ニコンD5200搭載センサ製造メーカー判明!それは・・・~chipworks解析

 期待通り(カナダのIC解析会社である)チップワークスがやって(=解析して)くれました。

 以前の記事で”ニコンD5200搭載センサはソニー、ルネサス、aptinaいずれの会社のものでもなさそうだ。一体どこのメーカー製のものだ?まさかサムスンじゃないよね?”的なエントリーを上げましたが、その答えは東芝製だったようです。

これには解析したchipworks自体も驚いたようで、冒頭リンクの原文に
Why is it a surprise to see Toshiba?
サプライズの単語が見られます(笑)。

この解析記事自体は実際の解析内容のほんの極一部だと思われますが(何故なら詳細な解析内容は同社の売り物なのでタダでは・・・(^^;))、昨日(1/8)upされていました。
1日遅れてしまいましたが、今回は意訳は後日にして速報重視でいきたいと思います。


d5200-sensor-closeup2.jpg














↑ 東芝製とわかった 2400万画素 APS-Cサイズ 撮像素子(imager / CMOSセンサ) with センサ基板付
続きは下の”つづきはこちら”をクリック下さい。

 

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interBee2012レポート ~カメラ(更にはデジタルシネマ)中心

121114-16_interBeeレポート前編

121114-16_interBeeレポート後編

去る'12/11/14~16に幕張メッセにおいて”interBee”(国際放送機器展)が行われていました。
最終日に行ってきましたのでそのレポートを前後編に分けてupさせて頂こうと思います。
(上二つのリンクを叩いてもらえれば表示されると思います。多少重いかもしれません)

この業界は門外漢ですので、もし業界の方が見られたら全く肩透かしなレポートだと思います。
また、interBeeの中でも主にカメラ関係中心のレポートになっています。
ご容赦ください。
↑interBeeという単語を初めて聞かれる方にはそれを知るのに参考にしてもらえるかもしれません。

今回、撮像素子的にはソニーのPMW-F55に積まれた”グローバルシャッタ”搭載センサが見ものだと思って行ったのですが、結果から言うと残念ながら撮像素子単体の展示はされていませんでした。
ですので、netに流れている情報以上のものは得られませんでした。


以下、今回のレポートの背景補足です。

「imagerマニア的にはinterBeeは関係ないのではないか?」
と思われる方も多いと思います。
確かにその通りで、放送機器やその業界に関しては門外漢なのです。
が、残念ながら(産業用を除き、民生及び業務用の)イメージセンサ専門の展示会などというもので、一般人が入場可能なものはないと思います。
(ついこの週末まで”画像機器展”というのもやっていましたが、あれは完全に個人の枠を超えていて、工場や少なくとも企業単位で導入を図る機器ばかりなので、流石にimagerマニアの興味は届かず・・・(^^;))

 なので、国内で言うとCP+(←極端に言うとデジカメショー)とNHK技研公開、今回のinterBee(←名称的には”放送機器”展ですが、近年特にDSLRムービーが業界を席巻してからは、放送機器よりもむしろDSLRムービーとデジタルシネマ用カメラが主役になっている個人的印象)がイメージセンサを確認出来る数少ない機会かなと思います。
まあそれに、イメージャーは最終的には出力やそれがどの様に使われているかが重要で、イメージャーの断面平面を観察した各社のチップの外観を眺めて楽しむのは本来本質ではないはずです(←いや、個人的にはこれも凄く好きなのですが(^^;))。

 そんな中で、上記三つの展示会の私個人にとっての位置づけですが、
interBeeはCP+と比較すると、当然ながら相対的に動画機器中心の(いや動画撮影可能な機器しかない)展示会です。
CP+がどちらかというと静止画メインのカメラ中心の展示になります。
撮像素子(イメージャー/CMOSセンサ)の観点から見ると、極端には
 ■動画用途:画素数は(静止画と比べて)多少少なくて良いがフレームレート(≒読み出し速度)は高速なものが求められる
 ■静止画用途:画素数(解像度)重視で、駒速は動画用途と比較して遅くて良い
 というキャラの違いがあります。(←最近は境目がなくなってきていることは理解していますが)

 そのため、interBeeは撮像素子的には、画素数は現状だと最大でも4K2K=800万画素強(※)、多くはフルHD(≒200万画素強)で、フレームレートが速いもので240fpsなどといった特徴を持ったものが多く登場します。
という訳で、interBeeの位置づけとしては、上記の様な”フレームレートに重きを置いた設計をされたセンサが良く見れる場”という感覚です。

 そして、CP+はその逆(?)で画素数が現状ですと最大で36Mpix(←ニコンの一眼レフカメラD800搭載ソニー製CMOS)で駒速が最大でも現状10数駒/秒程度の素子が良く見れる場となります。

で、NHKの技研公開は、特殊な未来のためのセンサの要素技術を知れたり、上記※では最大4K2Kと書きましたが、まだ実用はされていないものの研究レベルでの8K4K(≒有効3200万画素120fps)撮像素子が見れたりする場という認識です。

 撮像素子の観点からも、それぞれの展示会に色があっておもしろいなと思います。

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Nikon(ニコン) D600の撮像素子はソニー製 ~chipworks解析記事

以前のエントリーでも触れましたが、ニコン(Nikon)の廉価版フルサイズ一眼レフカメラであるD600に搭載されているフルサイズ撮像素子(CMOSセンサ/イメージャー)はソニー製であることは最早有名な話だと思います。

カナダの半導体素子解析会社chipworks(チップワークス)の記事にて少なくとも明らかにされています。
以下、上記サイトにupされている写真です。

128822_CIS_pkg_ortho_view.jpg












↑Nikon D600のカメラを分解していって出てきたソニー製フルサイズ撮像素子(CMOSイメージャー) withセンサ基板付

D600_IMX128L_129227_diemrk2.jpg














↑ 撮像素子表面にSONYの文字が確認


 上記紹介サイトでは、新品で買ってきたD600の箱からの開封風景からのレポートがありますが、そこはすっ飛ばして中段の”A closer look at the sensor”のあたりから。 以下私の拙い訳です。

ニコンとソニーは、民生及びマニア向けレベルのカメラにおいて長いこと協業(及び競業)してきた。
我々のブログでもDSLRのセンサにおける両社の協業に焦点を当てたものを書いた。
このトレンドは続き、ニコンD600においてもソニー製の”IMX128”センサが使われている。
我々は、センサダイマーキング(←上記写真の文字のこと)に”SONY”の文字と、パッケージ裏面に”IMX128”(←この名称のつけ方はソニーのものだということは既にわかっているということ)の製造マークを見た。
 このセンサの特徴は・・・
 ・24MpixelsのFXフォーマット (FXフォーマット=フルサイズセンサ)
 ・静止画連写駒速:5.5fps
 ・1080p (←フルHD1920×1080プログレッシブ) 30fps の動画撮影可能
 ・5.9um画素ピッチ

pixels_NW_corner_ann2.jpg














↑チップ表面拡大顕微鏡写真
(10画素で59um ≒ 1画素5.9umピッチ)


lens-SEM-tilt.jpg














↑センサ表面のマイクロレンズ形状を計測した写真
記事中では”おもしろい形をしている”と表現されている


より画素に近づくとおもしろい。
我々はスキャニングマイクロスコープによって数枚の写真を収めた。
まず初めに、画素サイズを特定した(5.9um□)。
それから、画素の上面からの写真を抑えた(←オリジナル記事にはこの写真が載っています)。
斜めからの写真は、とてもおもしろいマイクロレンズ形状であることを教えてくれた。

※私には何がおもしろいのかはっきりとはわかりませんが、恐らく普通はもう少し球形に近い形をしているのかもしれません。何となくレンズの裾の形状がオバQの様に(←今の人にはわかりませんか?(^^;))外側にヌメッと広がっているようなのがおもしろいと言われているのかもしれません。 以下元記事に戻って

 表面の下を更に削っていく。
我々はメタル3とメタル1の写真を得た。

※ここで言う”メタル3とメタル1”というのは、CMOSセンサの配線層の順番を指しており、通常数字の小さい方が半導体基板に近い方、数字が大きい方が光入射する上方に近い側を指すはずです。
今回このblog記事に写真を転載していませんが、オリジナル記事の写真では明らかにメタル3が最上層の遮光層の形状をしています。
 よってソニーのこのセンサはメタルは3層まで(=4層及び5層というような多くの配線層は使用していない)ということがわかります。
 ただ、最近は各社3層までということが多い様です。
最近はセンサの多画素化が進み、センサの画素ピッチが小さくなる傾向です。そのため、回路設計的には配線は多層化した方が有利(≒楽?)なのですが、そうすると配線高さが増してしまい、画素の光の特に斜め光に対する集光に難が出やすくなります。 (このあたりは(配線層が3つも必要にならない)CCDセンサの方が構造的に有利な点ですね)
結果、レンズF値を大きくしていった時の感度低下や、特にフルサイズセンサの周辺減光などの問題が出てきやすくなるため、配線層は3層までで何とかやりくりする傾向が強いようです。(←加えて、当然製造工程の数が減るため、配線層数を減らすと一般的には製造コストが低下するはずです)

SonyIMX128-M1SEM.jpg















↑”メタル1”(フォトダイオード表面から一番近い配線層)写真
(白い方が配線層)

それらの配線は開口率を下げてはいない。
開口率は重要だ。何故ならメタル配線は、本来フォトカソードに到達するべき光を妨げ、画素信号強度を下げてしまうからだ。


 撮像素子(CMOSイメージャー)に関するコメントは上記で終了です。
若干凡庸なコメントで終了している感がありますが、まあ無料で読ませてもらえる範囲なのでこの辺で十分納得するべきなのでしょう(でないとお金を払う人がいなくなっちゃいそうですし(^^;))。

 更に以前の記事の様に下地のPolyシリコン層とアクティブ領域とコンタクトがわかる図を提供してもらえれば、写真のメタル1の役割がそれぞれわかるのですが・・・
 ただ、一つだけ予想可能なのは、5.9um画素ピッチのこのセンサも2画素で1つのFD(フローティングディフージョン/浮遊拡散層)と画素アンプを共有するレイアウトなのだろうということです。
上の写真は左右で明らかにミラー配置のレイアウトになっています。わざわざこの様な配置にする理由は上記しか考えにくいと思います。
ルネサス製のニコンD4は7um台のもっと広い画素ピッチでもやはり2画素で一つの画素アンプ共有でしたし、今後も多画素化は進展するでしょうから、一眼レフカメラ用のセンサとしてはもしかしたらキヤノンの1DX搭載フルサイズ素子が最後の1画素に1画素アンプを備えるセンサになるかもしれませんね。

 

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新規参入と将来 フルサイズ デジタル一眼レフカメラ その3 ~chipworks解析記事

 カナダの半導体チップの解析会社 チップワークス の フルサイズ(フルフレーム)撮像素子搭載デジタル一眼レフカメラに関する テクノロジーblog の私の意訳です。

第一弾 及び 第二弾 に引き続き、締めの第三弾です。
今回でひとまずチップワークス的にはひとまず終了です。

第1弾、第二弾と比較すると若干内容薄いですが、では早速以下より。

dslr-b3-i1.jpg








↑ ライカ”M”搭載 STMicroelectronics製 フルサイズ撮像素子(CMOSセンサ / CMOSイメージャー)

・ライカの”M”のレンジファインダーカメラのための24MpixのCMOSイメージャーが発表された
・上記フルフレーム=フルサイズセンサはファウンドリーパートナーのSTMicroelectronics製
・上記センサは、1.75um□のモバイル用のセンサ向けに開発された300mmのCuプロセスで製造
・6um□画素
・上記プロセスのデザインルールは、フロントエンドライン0.11um、バックエンドが90nm

 6um□の画素ピッチの製品に、90nmのCu(銅)配線プロセスとは、かなりリッチというかオーバースペックな感じですね。
第一弾で出て来たニコンD800搭載のソニー製フルサイズ素子で、4.75um□画素ピッチで0.18um世代プロセス。
恐らくもう”配線層の蹴られで感度が落ちる”と言ったファクターは、6um□では0.18um配線で(マイクロレンズの設計が最適できちんと集光できているのであれば)ほとんど無視できるレベルになるのではないでしょうか。
 STMicroelectronicsは、スマホなど向けのイメージャーが主戦場で、そちらでは上記の様な先端プロセスは必須な状態でしょう。
他方フルサイズの撮像素子(CMOSイメージャー/CMOSセンサ)は初めて作ったのではないでしょうか?
 むしろ内部の上層部の判断としては、「量産数と今後の新規フルサイズ素子の製造可能性を考慮すると、フルサイズ素子用に新たにプロセスを起こす労力と予算を考えたら、可能な限り、現状の小さい画素ピッチ用のセンサプロセスをフルサイズ用に流用した方がお得」との判断に至ったのではないでしょうか。

 ここまでやったセンサの実力(特性)は非常に興味深いですね。
でも私はこのカメラは買えませんので、どなたかお願いできないでしょうか?(^^;)


 上記センサとは無関係な話に移って・・・

・グローバル電子シャッタ機能をいつになったらフルサイズ搭載カメラの中に見つけることが出来るだろうか?
 フルサイズセンサ製造者にとっては、グローバル電子シャッタは機能的に長期的なゴールだ

・多くの人にとって未だフルサイズセンサ搭載カメラは価格的に高い障壁が残る
最近ソニーとニコンとキヤノンが、より広い層に向けて、比較的安価なフルサイズカメラを発表した

・ソニーのサイバーショットRX1は、初めてレンズ固定式カメラにフルサイズを搭載した点において衝撃的だ
 ニコンのD600とキヤノンの6Dは、両社の$2k前後のエントリーレベルフルサイズカメラとして発表された

・今後、フルサイズ人気に誘われて、この分野に新規参入はあるだろうか?
台湾と中国勢はモバイル用の小さな画素センサ分野に現れるようになった
ある日フルサイズセンサが日本やヨーロッパ以外で製造される日が来ることも十分考えられる


 何か今ひとつ後半は話にまとまりがない感じがしないでもないですが(^^;)

しかし、確かにソニーのフルサイズ素子搭載レンズ固定式カメラの、小ささと価格の大きさに私は度肝を抜かれました(^^;)
最初、発表記事を読んだ段階では「買おうか!」と値段を調べに他のサイトに移ったら、私などは対象としていないカメラであることがすぐに価格を見てわかりました(--;)

 また、上記記事の”グローバル電子シャッタ搭載フルサイズセンサは設計者の最終的なゴールだ”みたいな断定表現がありますが、果たして本当にそうなのでしょうか?
グローバル電子シャッタ搭載の恩恵をエンドユーザーが受けるのは、静止画で言えば横方向高速移動物体撮影時だと思うのですが、普段そこまで気になる被写体はないのですが・・・
意図して扇風機や電車を至近距離から高速シャッターで撮影する・・・とかすると、ま、確かにローリングシャッター歪みが出るのでしょうが、それを防ぐために飽和などの特性を落とすくらいならグローバル電子シャッタは無理に・・・ というのが私の思いです。
 動画ユーザーになるとまた少し、ローリングシャッタによる悪弊に対する見方が厳しくなると思いますが。
しかし確かに、いずれ向かう方向はグローバル電子シャッタであることは否定しません。
実際、一眼レフではないですが、ソニーが既に最近発表したPMW-F55という、シネマ撮影用の動画カメラに搭載されるセンサ(←スーパー35mmサイズという、概略APS-Cサイズセンサ)はグローバル電子シャッタ採用であることが明らかになっています。

 新規参入については、買い手が確定していないのにフルサイズセンサを作る投資をするのは難しいでしょうし、逆にモノも見ない内から採用を決めるシステム(カメラメーカー)側もいないでしょうから、新たに参入する障壁は通常のCMOSプロセスで製造可能な他のICよりも高いのだろうと思います。
 しかし儲けと企業拡大に貪欲な中華系メーカーは、いずれ成長し、資金力を元にAPS-C⇒フルサイズと大きい方に乗り込んでくるのでしょうね。
その時に日本メーカーの意地を是非とも見せてもらいたいものです。

 

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