by Yoshiaki Daimon Hagiwara
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下記の内容をメモ帳に ＣＯＰＹしてまず印刷出力して、
それを読みながら、ＤＯＷＮ ＬＯＡＤした ＰＰＴの各々の
Ｓｌｉｄｅを見てください。理解するのを助けると思います。
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Slide101
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Slide102 賢いイメージセンサとは？
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当初は、長年、民生用のビデオカメラの商品化を目的に開発されてきた
イメージセンサーでしたが、今では、ロボットの電子の目としても活用、
されています。人工知能搭載の賢い目が実現しています。
自動走行車の賢いセンサーシステムとしても、医療機関や介護施設や
一般家庭用でのいろいろな特殊用途用の賢い電子の目となっています。
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家庭内監視支援システム (AIPS BOX) の例
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年をとっても、老人ホームに入ることなく、自分の家で、誰にも迷惑を
かけることなく、平穏に生活ができれば本望です。自分の家の居間で、
車いすに乗っていて、支援介護システムに守られた様子を想像してみて
ください。機械やロボットだけに守られた世界は、冷たいもので、歓迎
できるものではないかも知れませんが、せめて人の目がない時に、補助
的に、事故がないように電子システムが支援することは、すでに人工
知能搭載の自動走行車システムでも、実現しようとしています。同様に、
家庭内でも、事故防止や盗難防止、介護を必要とする人の支援システム
には必ずニーズがあります。そのためには家庭には部屋ことに複数の
いろいろなセンサーが必要となります。天井に複数個イメージセンサー
が装備された部屋を想像してください。床で遊ぶ子供や、眠っている
赤ちゃんを常に見守るイメージセンサーシステムです。イメージセンサー
から得られた情報を瞬時に real time で 認識処理する AIPS BOX
なるものが家庭の今の大型テレビの上に置かれている様子を想像して
ください。別に、今の時代、大型テレビの上に必ず置く必要はなく、
大型テレビに内臓していてもおかしくありません。また、ＮＥＴには
通信速度の限界や、通信通路の混み具合により、応答が遅れる心配が
ありますが、ＮＥＴで外部の Security 監視会社に常時つながって
いてもおかしくありません。
いずれにせよ、家庭で使うイメージセンサー（賢い電子の目）にせよ、
自動走行車用のイメージセンサー（賢い電子の目）にせよ、イメージ
センサー（賢い電子の目）にせよ、にはいろいろな信号処理用の賢い
回路が必要となります。特に、人工知能回路というものが重要な役割
を担うことになりますが、では、人工知能回路とはどんな回路なので
しょうか？
賢いイメージセンサー回路システムは人間 の頭脳と目の様な構造に
なると思います。人間が外の世界を見るとき２つも目を使います。
その理由は単純です。外の世界は３次元の立体です。その遠近情報
を real time で探知するためには、少なくとも２つの目が必要と
なります。同様に、人工知能システムが人間の世界を理解し、人間
を支援するためには、人間の世界、３次元の立体の世界を少なくとも
２つのイメージセンサーを装備する必要があります。
人間には、目、耳、鼻、舌、皮膚などのいろいろな感覚組織、つま
りセンサー組織があります。かつ、腕、足、手、指など、ロボット
では、それを actuator と呼びますが、いろいろな actuator が
複雑な動作を可能にしています。その動作を制御するのが、頭脳、
すなわち、大脳や小脳などですが、それ相当に対応し、動作する
人工知能回路を実現したいものです。
人間のひたいの部分、すなわち、おでこの部分、人間の脳で言えば、
脳の前頭葉には、「自分」という脳細胞の集合組織が、右脳と左脳
に、独立して２つ、実際には存在してます。
人工知能回路も、左意志回路（左の自分回路）と右意志回路（右の
自分回路）を装備し、それが脳の中心にある主幹共有通信制御回路
と連絡を取り合います。また、後部頭脳部分には、おのおの左右に
センサー情報処理回路が１つずつあり、その近くに運動制御指令を
つかさどる、小脳に相当する虫垂回路を装備します。
最終的には、actuator、すなわち、人間の腕、足、手、指、口の
筋肉等に相当するものに、この虫垂回路から指令信号が発信される
ことになります。
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可視光でなく赤外線センサもたいへん重要である。
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赤外センサーを２個使った通行人カウンターシステムの例
霧の深い山道などでは可視光では前方が見えない。赤外線なら物体を認知できる。
自動走行車には可視光センサーだけでなく、赤外線感知センサーが不可欠である。
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イメージセンサー（賢い電子の目）にはいろいろな信号処理用の賢い回路が
必要です。ＣＣＤやＭＯＳイメージセンサーを使わなくて、単純な赤外線
センサーを２個使うことにより、街中での通行人を数えたり、お客さまが
お店を出入りする様子を記録したり、道路を走る車の交通量や記録すると
いう単純機能の「通行人カウンターシステム」なるものが、デジタル回路
システムで組み立てることが可能です。
しかし、こんな単純機能を実現するためにもいろいろなデジタル回路が
必要となります。
（１）光伝導Cell(CdS)を使った赤外線センサー
（２）主電源や電池制御用や表示装置用の電源回路
（３）制御用 clock 発生回路
（４）赤外線センサーの出力を整成するPulseGen回路
（５）２つのpulseの時間差（どちらが早いか遅いか）を判定する回路
（６）pulseの数を数えるカウンター回路
（７）カウンターの数値（入退室data)記憶回路
（８）入室した人の数と退室した人の数を引算するＳＵＢ回路
（９）現在入室している人（ＳＵＢ回路の値）と
室内収容最大人数との比較回路
などいろいろあります。
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萩原はＳＯＮＹに1975年2月20日に入社してすぐにＰＮＰＮ接合型の受光素子を発明
しました。しかし Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ社が 1990年から2000年の10年間 Dr. Earlyの出願の
ＣＣＤＭＯＳ容量型受光素子のＶＯＤ基本特許で 萩原のＰＮＰＮ接合受光素子の
ＶＯＤ特許を攻撃しました。しかし、最終的にＳＯＮＹが米国最高裁で勝利し萩原の
ＶＯＤ付きＰＰＤの発明が米国最高裁で認められました。しかし、その後もＮＥＣは
1980年の寺西特許のＰＮＰ接合特許で「萩原の1975年特許には残像特性の記載
がない」と攻撃しましたが、ＳＯＮＹは「萩原の1975年特許には残像特性の記載が
ある」と反論し、ＮＥＣの攻撃を跳ね飛ばしました。その結果ＮＥＣはImage Sensor
のビジネスから撤退する運命となりました。しかしＫＯＤＡＫはいろいろな総合特許
でなのをＳＯＮＹを攻撃していましたが、萩原の1975年の特許の優位性はもはや
否定できる、2007年になり、ＳＯＮＹにとって有利な条件でＫＯＤＡＫとは和解が
成立しＳＯＮＹに有利なクロスライセンス契約となり、ＳＯＮＹが Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ
のビジネスを世界制覇する道を開きました。2007年になりやっとＨＡＤの世界
特許戦争が収束しました。そして翌年、2008年7月をもって萩原良昭は1975年
出願の特許をＳＯＮＹの会社人生でずっと３３年間守り続ける1人の兵士でした。
丁度戦争が終わりこれで安楽の生活ができると思っていたら、まだまだ特許
戦争の「残党」が世界に散らばっていており、彼らに知らないうちに再び萩原の
1975年の発明が盗まれることになり、萩原は飛んだ災難をずっと受けている
ことになり、本人も自分のその運命にあきれている状態ですが、それほど、
この発明が重要な宝物で世界中の「「泥棒さん」に狙われるのは自然な事も
理解してしっかり生みの親のＳＯＮＹに守ってもらいたいと思いました。もう
萩原も72歳でどう１人で守れるがわかりません。ぜひＳＯＮＹの若い世代の
技術者にその宝物を継承して守って行ってほしいと萩原は切に希望しています。
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Slide107 Appendix 01
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CCD image sensor 型の電荷転送方式
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Interline 方式のCCDイメージセンサ では、
金属配線ではなく、 MOS capacitor の１次元配列
の集合体で、シフト・レジスターと呼ばれる回路
構造で絵素の信号が、選択scan され、出力回路へ
転送されます。
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CCD転送では多数のMOS容量のchain で信号電荷をCCD shiftregister で
転送するので出力の容量がたいへん小さくできます。
従って、CkT雑音なるものも非常に小さくなり、雑音が少ない、好感度の
CCD imagerが、1980年代の半導体技術でも製造が可能でした。
それで1990年から2000年にかけては、カメラと言えば、ＣＣＤイメージ
センサーが主流の時代となりました。
しかし、その後、半導体の微細化技術が非常に進歩し、微細化により、
配線容量Ｃがさらに低減され、実用に耐えるレベルまで CkT 雑音を
抑えることが可能となりました。ＣＩＳ の時代の到来です。
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Interline 方式のCCDイメージセンサ と
Active 方式 CMOSイメージセンサ
の信号電荷の scan 方式の違いの説明です。
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●まず、第１ scan 段階では、
＊Interline 方式のCCDイメージセンサでは、
①各画素部の受光構造で光を電荷に変換し信号電荷の
かたまり(charge packet)として接合容量に蓄積する。
また、Active 方式 CMOSイメジャーでも同様です。
①各画素部の受光構造で光を電荷に変換し信号電荷の
かたまり(charge packet)として接合容量に蓄積する。
両者に接合容量として、 SiO2/P+/N-/P/N 接合容量を
使い、受光層 N- 層 を P+/N-接合と N-/P接合で
両側から保護します。これにより低雑超感度の受光構造
が実現します。
●第２ scan 段階では、
＊Interline 方式のCCDイメージセンサでは、
②すべての画素部の信号電荷は同時に垂直CCD
registerにCCD転送modeで転送されます。
「全画素同時露光一括読み出し」scan方式といいます。
＊Active 方式 CMOSイメジャー では、
②一行ごとにword line switchを通して、各画素部の
信号電荷は、Passive方式では、BBD転送modeでその
まま垂直金属線に流しこまれますが、Active方式では
各画素部に装備された処理回路で信号電荷は直接電圧
に変換されその電圧値が垂直金属線に伝達されます。
「ライン露光順次読み出し」scan方式といいます。
●第３ scan 段階では、
＊Interline 方式のCCDイメージセンサでは、
③垂直CCD registerに移された信号電荷のかた
まりは１行ごとに水平CCD registerにCCD転送
modeで転送されます。
＊Active 方式 CMOSイメジャー では、
③各垂直金属線(bit line)の端子にはswitch雑音を
除去する（CDS=correlated double sampling) 回路
が装備されており、各信号電圧は雑音を除去された
後一時容量に保管され、順位、列選択（bit line）
switch を通して水平金属線に伝達されまず。
●第４の最終 scan 段階では、
＊Interline 方式のCCDイメージセンサでは、
④水平CCD registerの信号電荷を順次に最終段
の出力回路の入力端子（端子容量Cが小さい）
が受け取り、信号電荷を電圧に変換され（V=Q/C)、
さらに増幅され画像処理回路に送られます。
CkT雑音が小さいです。低照度でも雑音が少なく
感度がよい結果となります。しかしＣＣＤ転送の
特有の問題である、信号電荷の転送効率に限界が
あります。転送効率は良くても 99.999％程度で、
1000回CCD転送すると、約１％の電荷の取り残し
が生じ、画像の混色劣化が生じます。
＊Active 方式 CMOSイメジャー では、
④水平金属線の信号電圧を順次に最終段の出力回路の
入力端子（端子容量Ｃは大きい）が受け取り、信号電荷
を電圧に変換され（V=Q/C)、さらに増幅され画像処理
回路に送られる。CkT 雑音が大きくなります。しかし、
ＣＭＯＳ半導体技術の微細化が進み、配線容量Ｃの値が
激減して実用化レベルに至るようになりました。
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Slide108 Appendix 02
いろいろな受光素子構造と固体撮像装置
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非常にたくさんあります。ここでは辞書の代わりに列記し
名前を並べておくだけにします。１つ１つを説明する時間
はありません。興味ある人は、いろいろ専門書やＷＥＢで
自分で調査し学習していただければ幸いです。また何か、
質問があれが、正確な答えを提供できるかどうかは自信
ありませんが、どしどし、私に連絡を入れてください。
●いろいろな受光素子構造
光電子増幅管 (Al)
PIN photo diode (Si)
pinned photo diode(Si)
Avalanche Photo Diode (Si)
高周波数 FET （GaAs)
Gbps 光通信 (InGaAs)
光伝導Cell (CdS)
●いろいろな電荷転送素子の構造
CTD = Charge Transfer Device
Charge Transfer Deviceの代表として、ＣＣＤ構造がある。
CCD = Charge Coupled Device
またＣＣＤ構造には、
（１） ＳＣＣＤ構造
Metal/SiO2/P 構造で、SiO2/P の界面の反転層の
電荷（電子）を dynamic に転送する方式の
表面転送路（ Surface Channel )型 の CCD 構造 と、
（２）ＢＣＣＤ構造
Metgal/SiO2/N/P構造で、埋め込み N 層の
電荷（電子）を dynamic に、完全空乏化
状態も可能とする転送方式のもので、
埋め込み転送路 ( Buried Channel) 型ＣＣＤ構造がある。
BCCD構造 が考案される前には BBD構造（バケツリレー転送）が
あっりました。BBD構造は、従来のＭＯＳ半導体プロセスのままで
製造可能で、ＣＣＤ構造は特殊なプロセスを必要とした。その開発
の背景は幾多の試行錯誤があったが、結局半導体プロセスが単純な
BBD構造（MOS Switch回路のおばけ）が生き残ったことになる。
BBD (Bucket Brigate Device)
PCD (Plasma Coupled Device)
CSD(Charge Sweep Device)
CID (Charge Injection Device)
CPD (Charge Priming Device)
CCD (Charge Coupled Device)
CMD(Charge Modulation Device)
BASIS(Base-Stored Image Sensor)
MOS image Sensor（Passive, Original)
CMOS image Sensor（Active Pixel Sensor)
AMI (Amplified MOS Intelligent Imager)
●まず、基本構造の材料となる、
（１）金属と、（２）絶縁体や、
（３）抵抗体と（４）半導体
の性質を理解することも必要となります。
●原子の周期表から見える半導体の材料を探そう。
III groupの原子 --> Ｂ(5), Al(13),Ga(31),In(49),Ti(81)
IV groupの原子 --> Ｃ(6), Si(14),Ge(32),Sn(50),Pb(82)
V groupの原子 --> Ｎ(7), Ｐ(15),As(33),Sb(51),Bi(83)
VI groupの原子 --> Ｏ(8), Ｓ(16),Se(34),Te(52),Po(84)
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MOS image sensor 型の電荷転送方式について
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Passive 方式の MOS イメージセンサ は、
MOS transistor switch 回路の集合体です。
その信号 scan 方式は、MOS memory 回路の
信号読み出し scan 方式とよく似ています。
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受光部の容量に保存された信号電荷が単純に金属配線を通じて
出力AMP回路に入ります。
単純に金属配線を使った転送部 (垂直転送部と水平転送部)を
通して、受光部で発生した電荷を 順番に scan して
switchを ON にして、 BBD modeで 転送します。
金属の配線容量Ｃが非常に大きい問題があります。
その結果、配線容量Ｃに比例した、CkT 雑音なるものが、
たいへん大きくなります。
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Slide109 Appendix 03
賢いイメージセンサーとは超人的な威力を持った電子の目のこと
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賢いイメージセンサー実現のためのさらなる検討努力項目、
より正確にものを見て、素早く認識する。。。
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●賢いイメージセンサーは、正確にすばやくまわりの動きを感じとる（感度）
だけでなく、雑音や不要な情報を排除し（フィルター機能）、必要な情報
だけを抽出加工し（情報認識）、人間支援のための知的処理を敏速に実行
する機能も同時に装備する必要があります。そのための、賢いイメージ
センサー実現のための、さらなる検討努力項目がいろいろあります。
●Dark Current (暗電流）の低減努力
（１）拡散電流
（２）発生電流
（３）表面リーク電流
（４）トンネル電流
●量子効率の向上努力
（１）素子表面での入射光の反射
（２）小数キャリアの表面再結合
（３）光電変換領域以外での光吸収
（４）空乏層内でのキャリアの再結合
●雑音（ランダム）の低減努力
（１） ショット雑音
（２） 熱雑音
（３） Avalanche過剰雑音
（４） 1/f 雑音
（５） reset雑音
●High Beam ( overflow, blooming ）抑制機能
●固定パターン雑音の低減努力
（１）Clock雑音
（２）Amp Offset 雑音
（３）画像欠陥（画素開口形状むら、
Photo Diode 部暗電流むら、
転送部暗電流むら）
●制御処理回路による性能改善努力
（１） Correlated Double Sampling 回路
（２） APS ( Active Pixel Sensor ) 回路
（３） AMI ( Amplified MOS Intelligent ）回路
●賢いイメージセンサー実現のためのその他の努力改善項目
（１）ＰＮ接合容量に光を照射する
（２）ＭＯＳ増幅回路処理、ガンマ―補正処理
（３）出力信号の選択処理
（４）Ａ/Ｄ変換回路処理
（５）信号情報の記憶保存回路処理
などいろいろな複雑な検討項目がたくさん存在します。
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