研究課題
基盤研究(A)
本研究では、光電子増倍を用いることなくシリコンデバイスによってフォトンカウンティングレベルの超高感度撮像を可能とする新発想のイメージング技術の実現を目指し、極低雑音信号読み出し技術として発案された適応量子化相関多重サンプリング方式に関して、理論的な解析と試作を通してその有効性を明らかにすることを目的として研究を行った。まず画素内アンプと信号読み出しに用いる容量比型高利得増幅器を含む回路系のノイズ解析を行い、支配的ノイズ成分であるフリーズノイズを2段構成のノイズキャンセルにより除去することで極めて低ノイズの読み出しが行えることを見出した。これを実証するための試作を行い、予測通り2段構成のノイズキャンセルによって特に高利得の領域で高いノイズ低減効果が得られることを実証した。この前置増幅器の出力に対して、多数回サンプリングし平均化した信号と、同じ処理を行った初期値レベルとの相関差分を求めることで、フリーズノイズをキャンセルと帯域制限効果によって読み出し回路系の雑音が従来に比べて大幅に減少することを理論的に解析した。特にイメージセンサの画素内アンプが発生する熱ノイズに関しては、極めて高いノイズ低減効果が得られ、プリアンプ利得32倍、多重サンプリング回数16回において、約0.2電子まで低減できることが見積もられた。これは試作によっても高い熱雑音低減効果が確認されている。さらに、画素内アンプが発生するRTS(Random Telegraph Noise)と呼ばれる異常に大きなノイズ成分に対して、ヒストグラムを用いたノイズ低減手法を提案し、試作されたイメージセンサに対して適用した結果、極めて効果的にRTSノイズを低減することができた。また、極低ノイズ読み出しと信号の広いダイナミックレンジが両立できる振幅抑圧多重サンプリング方式を考案するとともに、そのノイズ低減効果を解析した。
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