極端明暗撮像を可能にするフォトンカウンティング撮像デバイスに関する研究

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19206040
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 川人 祥二 Shizuoka University, 電子工学研究所, 教授 (40204763)
• Keywords: 極端明暗撮像 / 無雑音検出 / 広ダイナミックレンジ / 相関多重サンプリング処理 / RTSノイズ / 1電子制御

Research Abstract

本研究では、極端な明暗差にも対応できる広ダイナミックレンジ特性と超高感度特性とを両立する次世代の撮像デバイスの実現を目的としている。本年度は、相関多重サンプリングに基づく信号処理の結果、達成できるノイズレベルの測定結果とトランジスタサイズ、電荷電圧変換ゲインとの関係、並びに画素内のトランジスタを微細化した際のRTS(Random Telegraph Signal)ノイズの理論式に基づき、量子化処理による無雑音電子検出に必要な0.1電子のノイズレベルを実現する条件(1電子あたりの変換利得が3mV)を明らかにした。相関多重サンプリングを適用した試作デバイスにおいて、ヒストグラムのメジアンで1.1電子という極めて低雑音の特性が得られた。また、相関多重サンプリング処理を用いた高感度イメージセンサの試作結果により、RTSノイズに対するノイズ低減効果として、相関多重サンプリング処理によるカットオフ周波数がRTSノイズの遷移周波数を下回る程度にサンプリング回数を増加させたとき、回数の平方根に反比例してノイズが低減される傾向を持つことが示された。これらは、イメージセンサのRTSノイズが信号処理で低減できることを示すものであり、学術的にも価値のある成果である。関連する成果として、画素内で1光子により発生した1電子の検出と廃棄を、電荷排出動作だけで制御する新構造の着想を得、シミュレーションにより1n秒以下で1電子を高速に振り分けることができることが示された。これは1電子検出を目的とした本研究の成果を、バイオイメージング等に応用する上での重要な成果であり、本研究課題の成果を今後の関連研究に発展応用できるものである。

Research Products

• [Journal Article] Reduction of random telegraph signal (RTS) noise in CMOS image sensors using histogram analysis (2009)
  • Author(s): M.A.Mustafa, S.Itoh, S.Kawahito
  • Journal Title: Journal of Automation, Mobile, Robotics & Intelligent Systems Vol. 3, No. 4 Pages: 202-203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-linearity in wide dynamic range CMOS image sensors utilizing a partial charge transfer technique (2009)
  • Author(s): S.Shafie, S.Kawahito, I.A.Halin, W.Z.W.Hasan
  • Journal Title: MDPI Sensors vol. 9, no. 12 Pages: 9452-9467
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A high-speed low noise CMOS image sensor with 13-b column-parallel single-ended cyclic ADCs (2009)
  • Author(s): J.H.Park, S.Aoyama, T.Watanabe, K.Isobe, S.Kawahito
  • Journal Title: IEEE Trans.on Electron Devices vol. 56, no. 11 Pages: 2414-2422
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] (2009)
  • Author(s): 角南英夫, 川人祥二編著, 著者他10名
  • Journal Title: 半導体デバイスシリーズ2メモリデバイスイメージモンサ(丸善) Pages: 161-190, 267-288
• [Journal Article] (2009)
  • Author(s): 三村秀典, 原和彦, 川人祥二, 青木徹, 廣本宣久
  • Journal Title: ナノビジョンサイエンス-画像技術の新展開-(コロナ社) Pages: 65-134
• [Presentation] 高速低ノイズ撮像のためのカラム読み出し回路の設計技術 (2010)
  • Author(s): 川人祥二
  • Organizer: 映像情報メディア学会情報センシング研究会3月研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2010-03-26
• [Presentation] Column readout circuit design for high-speed low-noise imaging (Invited) (2010)
  • Author(s): 川人祥二
  • Organizer: 2010 IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.
  • Place of Presentation: San Francisco
  • Year and Date: 2010-02-11
• [Presentation] CMOSイメージセンサーの現状と将来 (2010)
  • Author(s): 川人祥二
  • Organizer: 映像情報メディア学会東海支部技術講演会
  • Place of Presentation: 浜松
  • Year and Date: 2010-01-27
• [Presentation] A three-phase time-correlation image sensor using pinned photodiode (2010)
  • Author(s): S.Han, T.Sawada, T.Iwahori, S.Kawahito
  • Organizer: SPIE Electronic Imaging 2010
  • Place of Presentation: San Jose
  • Year and Date: 2010-01-19
• [Presentation] Recent Progress of CMOS Imaging Devices (Invited) (2009)
  • Author(s): 川人祥二
  • Organizer: The 16^<th> International Display Workshops
  • Place of Presentation: Miyazaki
  • Year and Date: 2009-12-11
• [Presentation] CMOSイメージセンサの技術動向 (2009)
  • Author(s): 川人祥二
  • Organizer: 電子ジャーナル第216回 Technical Symposium
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2009-09-25
• [Presentation] Reduction of random telegraph signal (RTS) noise in CMOS image sensors using histogram analysis (2009)
  • Author(s): M.A.Mustafa, S.Itoh, S.Kawahito
  • Organizer: Inter-Academia2009
  • Place of Presentation: Kazimierz
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] CMOSイメージセンサの最新技術動向 (2009)
  • Author(s): 川人祥二
  • Organizer: アドバンテストアカデミー講演会
  • Place of Presentation: 群馬
  • Year and Date: 2009-07-08
• [Presentation] Noise reduction effect of column-parallel correlated multiple samnlina for CMOS image sensors (2009)
  • Author(s): S.Kawahito, S.Suh, T.Shirei, S.Ito
  • Organizer: Int. lmage Sensor w/s
  • Place of Presentation: Bergen
  • Year and Date: 2009-06-28