パナソニック：マイクロ分光素子を用いたイメージセンサの高感度化技術

マイクロ分光素子を用いたイメージセンサの高感度化技術を開発

【要旨】

パナソニック株式会社は、光の波の性質（光波）を使って撮像素子に入射する光を色ごとに分離できる、独自の「マイクロ分光素子」を考案・開発し、イメージセンサに適用することで高感度なカラー撮影を実現する事に成功しました。光の回折現象［1］を微細な領域で制御するマイクロ分光素子により、カラーフィルタを使用しない色配置が可能となり、カラーフィルタを使用する従来の方式と比べ、約2倍の高感度化を実現しました。

【効果】

イメージセンサはデジタルカメラのキーデバイスとして、スマートフォン、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどのデジタル映像機器や、車載、オフィスなどのセキュリティ用途、医療現場など、さまざまな分野で使用されています。特に、機器の小型化と高い解像度を必要とする場合、本開発の技術により、イメージセンサの種類にかかわらず、明るい画像信号を得ることが可能となります。

【特長】

本開発は以下の特長を有しています。

1. 光利用効率が高い色配置により、従来比約2倍の明るいカラー撮影が可能です。
2. 従来のイメージセンサにおけるカラーフィルタの置換えとして設計ができ、イメージセンサの種類（CCDセンサ［2］、CMOSセンサ［3］など）に依存せず適用が可能です。
3. マイクロ分光素子は、従来の半導体デバイスの製造で用いられている無機材料や加工プロセスを使って作製することができます。

【内容】

本開発は以下の新規要素技術により実現しました。

【従来例】

これまでのイメージセンサは、カラー撮影するためにカラーフィルタを各画素に配置しています。最も広く用いられるベイヤー配列［4］構成は、赤、緑、青の各画素においてそれぞれ赤色、緑色、青色のみを透過するフィルタを配置しており、入射光の50～70％の光量が失われていました。モバイル機器に搭載されるイメージセンサの高解像度化が進展し、画素のサイズが小さくなる中で、高感度化の要望がますます高まっていました。

【用語の説明】

[1] 光の回折現象

波長サイズのスケールで現れる光の波としての性質。光が幾何学的には到達できない領域に回り込んで伝わっていく現象のこと。

[2] CCDセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor）

固体撮像素子のひとつで、ビデオカメラ、デジタルカメラなどに広く使用されている半導体素子。ほかの撮像素子に比べて相対的に感度が高く、ノイズが少ないという特徴を持つ。

[3] CMOSセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor）

CMOS（相補性金属酸化膜半導体）を用いた固体撮像素子。製造プロセスと信号の読み出し方法がCCDと異なる。

[4] ベイヤー配列

一般的なセンサのカラーフィルタに使用される配置方式であり、2×2の4画素にR（1画素）、G（対角位置の2画素）、B（1画素）を1セットにして規則的に並べている。

[5] FDTD法（Finite-Difference Time-Domain method）

マクスウェルの方程式を直接、空間・時間領域での差分方程式に展開して逐次計算をすることで、電場・磁場を決定する電磁場解析の手法。

[6] ビーム伝搬法（Beam Propagation Method）

マクスウェルの方程式から導かれる波動方程式を光の伝搬とともに逐次的に計算する方法。

図1　従来との構成比較と特長

＜現行カラーフィルタ＞	＜本開発：マイクロ分光素子＞

図2　本開発技術と従来技術との撮影画像の比較（同じ感度のCCDを使用）

New Panasonic “Micro Color Splitters” sensor tech explained on video.

The video on top explains the tech behind the new innovative Panasonic “Micro Color Splitters” sensor. Panasonic said that new technique allows to “approximately double the color sensitivity in comparison with conventional sensors that use color filters.“.

I hope we will not have to wait to wait a long time to see it on use on a Micro Four Thirds camera!