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イメージセンサを用いた新機能センシングシステムに関する研究

西村, 佳壽子 ニシムラ, カズコ 神戸大学

2022.03.25

概要

本論文は、高精度なイメージセンサを活用した新しいセンシングシステムに関する研究である。

第1章では、近年のイメージセンサを取り巻く概要、および、イメージセンサ技術の進化、課題について述べる。

第2章では、高精度で高ロバストなイメージセンサの有力な一方式として、有機CMOSイメージセンサの特長的なデバイス構造、および、その独自のデバイス構造を活かした技術開発について述べる。

近年、イメージセンサは、車載、監視、ロボットビジョン、放送、医療、モバイルなど様々なアプリケーションのキーデバイスとなっている。各々の環境において高精度なイメージングおよびセンシング性能を実現するために、広ダイナミックレンジ、高感度、高フレームレートなどに対する要望が高まっている。また、逆光時にも確実に撮像可能であること、LED照明やLEDサイネージに対してもフリッカが発生しないことなど、正確でロバスト性の高いイメージングおよぴセンシング技術への需要が急増している。

このような要望の中で、高解像度、高フレームレート、低消費電力に加え、後段LSIと同時搭載することで高機能処理が可能なるなどの性能的優位性から、CCDイメージセンサに代わり、CMOSイメージセンサがイメージングおよびセンシングデバイスの主流となっている。ただし、一般的なCMOSイメージセンサの動作では、すべての画素のシャッタ、露光が同時に行われるのではなく、行毎にシャッタ、露光が順次実行されるローリングシャッタ(RS)操作が実施されるため、高速動体撮像時には動体歪みが生じてしまうという課題が発生する。近年、産業検査の高速化、自動車・ドローンなど動体の自動自律制御への要望の高まりに応じ、CCDイメージセンサのように、すべての画素のシャッタ、露光操作が同時に行われることで画像歪みの起きない、グローバルシャッタ(GS)動作への要望が高まっている。しかし、従来のシリコンイメージセンサで、グローバルシャッタ動作を実現しようとすると、画素内に、同時撮像をした電荷をデータ読み出しまで一時的に蓄積するためのメモリと、メモリヘ電荷転送を行うための転送回路を追加する必要が生じる。この場合、電荷蓄積領域とメモリ領域の面積の取り合いが発生し、感度と飽和信号が共に低下してしまうという問題が発生してしまう。この問題の解決に、有機CMOSイメージセンサの構造が最適な候補の1つとなると考える。

有機CMOSイメージセンサは、従来のシリコンイメージセンサとは画素のデバイス構造が全く異なり、光電変換のための有機薄膜と、信号電荷蓄積と信号読み出し用の回路を設けるシリコン基板部が完全に独立で、積層構造となったイメージセンサである。本センサでは、2つの部分を各々独立に最適設計可能なため、グローバルシャッタ機能と広いダイナミックレンジ性能を同時に実現することができる。そこで本章では、有機CMOSイメージセンサの2つの特長機能に焦点を当てる。1点目は、一回の撮像で120dBを超える広ダイナミックレンジ性能を実現する技術、2点目は、画素面積や飽和電子数などのセンサ特性を犠牲にすることなくグローバルシャッタを実現する技術である。

これらの機能は、イメージングおよびセンシング分野の性能の飛躍と共に、新価値創造に貢献できると考える。

第3章では、近年のIoT化により、IPトラフィックが劇的に増加する中で、高速かつ低コストのネットワークサービスの需要に対し、新しい経済的で大容量のデータ転送が可能な、アクセスネットワークであるギガビットクラスのEPON(GE-PON)システムの開発について述べる。

EPONシステムでは、ユーザー側の複数台の光回線終端装置ONUs(Optical Network Units)が光ファイバーと1:N光カプラーを介して基地局側の1台の光回線終端装置OLT(Optical Line Terminal)に接続されており、1490nmの波長を使用するダウンストリームの送信は連続モードで、1310nmの波長を使用するアップストリームの送信はTDMAバーストモードで実施される。したがって、PONシステムの最も重要なコンポーネントは、アップストリーム伝送用の高速バーストモード光トランシーバとなる。本章では、低コストの1.25Gbpsで通信可能なバーストモード光トランシーバ(OLT用の受信器とONUs用の送信器）技術の説明を行う。

新しい自動利得制御技術(AGC: Automatic Gain Control)と基準電圧発生器(RVG: Reference Voltage Generator)により、光受信器は、1.25Gbpsのバーストモード伝送で一29.0dBmの最小光感度とー2.2dBmのオーバーロードで26.8dBの広いダイナミックレンジを達成した。さらに、新しい自動光出カパワーおよび消光比制御(APC: Automatic Power Control)システムを考案したことにより、光送信器は、-40~100℃の広い温度範囲でそれぞれ士0.4dBmおよび士0.6dB範囲内に変動を抑制可能となった。

本章で説明した光通信技術は、高精度イメージセンサを用いて取得した情報の転送を行う場合に、機器ー機器間、センシング現場間（例えば、工場ー工場間）での高速大容量データ通信を可能とする。また、センシング現場（例えば、工場）では、多くの機器で様々な電気信号が用いられているため、多くのノイズが発生する。しかし、本光通信技術を用いることで、現場の複数の機器のノイズ影響、電気信号の変動の影響を受けない信頼性の高い伝送を実現することが可能となる。

第4章では、第2章、第3章で述べた技術を応用した、新しいセンシングシステムへの応用について述べる。

日本生産性本部発表の「労働生産性の国際比較(2020年度）」によると、日本の「労働生産性」(=GDP／就業者数）はOECD（経済協力開発機構）加盟国37か国中26位と非常に低迷しており、1990年以前の生産性を取り戻すことは、各企業にとって大きな使命となっている。

また、近年、少子高齢化が進み、実効労働人口が減少することによる生産現場における効率化が求められている。団塊世代の退職により、高度経済成長期に技術を立ち上げた人材、高度な専門性を持った人材を一気に喪失することによる、後継者技術の向上、『匠』技術・技巧の伝承の緊急性も高い。

さらに、2019年12月より全世界に広がったCOVID-19の影響により、工場の製造ラインなど密集状態での作業や海外での工場立ち上げ・直接指示ができない状況となり、少人数での効率アップと遠隔制御が必要不可欠となっている。

日常生活に目を向けると、デジタル・ネットワーク社会の発達により、各家庭や職場において、多くの情報や物品の入手が容易になったため、過去とは異なる水準で個人二ーズの実現が求められている。生産側にとっては、多様な個人ニーズに対応した製品開発が必要であり、工場での生産においても、大量汎用品生産から少量多品種生産への移行が進んでいる。

このような背景のもと、生産現場における、多様化への対応と、今まで以上に高効率な生産性向上の実現が求められている。

それぞれの現場においては、1900年以降、生産性向上の取り組みが継続実施されているところも多く、有効性も実証されている。しかし、現状市場の存在する可視化技術だけでは限界があり、有効な抽出ができていない。

本章では、「高効率生産性向上システム」の実現を目的とし、あらゆる環境下で高精度にロバストなデータを取得可能なイメージセンサを活用したセンシングシステムを開発、また、本システムを活用し、高効率な生産性向上を目指すための統合的組織を新規に立ち上げる提案を行う。

本研究の価値（バリュー）は、短期的に、現場課題の可視化とその改善により生産性の向上を図ることができること。中長期的に、今まで数値化・データ化できなかった高度作業の可視化に基づき、個々の作業の高度化（目標の高度化）を図ることができること。さらに、複数事象の相関関係を明確にすることで潜在課題を明確化し、現場の働き方に変革を起こすことを可能とする点である。

最後に第5章では、本研究のまとめを行い、今後の展望について述べる。

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参考文献

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