高速裏面照射型イメージセンサー：100万FPS超の撮影を実現

100万フレーム/秒（FPS）を超える速度を持つ高速撮像は、科学・工学分野において一瞬の現象を捉えるための貴重な研究ツールとなっています。しかし、この速度を実現するにはトレードオフが伴います。ほとんどの高速カメラは、最大ギガピクセル/秒（Gpx/秒）のスループットを達成するように設計されており、フレームレートと解像度のトレードオフ関係にあります。例えば、25 Gpx/秒のカメラでは、1280×800ピクセルの解像度で25,700 FPS、より小さい1280×720ピクセルの解像度で28,500 FPSを達成できます。どちらの組み合わせもスループットはほぼ同じです。100万FPSのような超高速フレームレートでは、解像度が非常に小さくなるため、被写体を捉えるのがより困難になります。

フレームレートが上がると、ピクセルが光を受ける露光時間は短くなります。25,700 FPSでは、各フレームの最大露光時間は39マイクロ秒（μs）ですが、100万FPSではわずか733ナノ秒（ns）しかありません。このような短い露光時間では、ピクセルが受光する時間が極めて短いため、それを補うために高レベルの照明が必要です。実際、多くの高速撮像アプリケーションは「光不足」状態にあり、超高速フレームレートでの極めて短い露光時間では、利用可能な照明がカメラの撮像センサーに十分な光を届けられず、理想的な画像が得られない、あるいは特定の用途では実用的でない場合さえあります。

高速カメラのオペレーターは、速度・解像度の要求と十分な照明の必要性を巧みにバランスさせてきました。科学的理解と工学的解析の最前線を切り拓く見事な画像を撮影してきましたが、高速撮像の限界に挑むにつれて、これらのトレードオフの管理はより困難になっています。

最近、速度・解像度・感度の制約を緩和する技術的ブレークスルーが達成されました。裏面照射（BSI）を採用し、光子を捕獲できるピクセル表面積を増やした新しい高速イメージセンサーが開発されたのです。光をより効果的に捕獲できるため、BSIセンサーは高フレームレートを必要とするアプリケーションにより適しています。このカメラでは、スループット（最大フレームレート×最大フレーム解像度）が、従来の高速CMOSイメージセンサーと比較して3倍に向上しました。この新センサーは2021年3月、新型Phantom TMXカメラに搭載され、最速モデルではフル解像度1280×800ピクセルで76,000 FPSの撮影が可能です。

高速アプリケーションへのBSI導入

これまで高速カメラに使用されてきたCMOSセンサーは、ピクセルのフォトダイオードの上にセンサーの金属配線が位置し、それが光源側を向いている表面照射型（FSI）アーキテクチャに基づいていました。この金属配線が入射光の一部を遮るため、充填率に影響を与え、センサーの感度を低下させていました。

BSIセンサーは、金属スタックの上部に厚いキャリアウェーハを接合する構造を持っています。この配置により、バルクシリコンを薄くして裏返し、ダイオードを光源側に、金属面をその背後に露出させることができます。高速撮像においてBSIセンサーには2つの大きな利点があります。光が受光面に直接到達する経路を確保することによる充填率の向上（図1参照）と、センサーの金属面にさらに金属を追加できることによる処理速度の向上です。

• 充填率の向上： 入射光を捕獲する有効性は、センサーの充填率、つまり光子を捕獲できるピクセル表面積の割合で表されます。金属配線が光を遮ったり反射したりするため、高速撮像用の典型的なFSIセンサーの充填率は50〜60%程度です（一般的な現在のFSIセンサーではマイクロレンズで部分的に補償されています）。配線を避けることで、この新しいBSIセンサーは充填率をほぼ100%に近づけています。

• 処理速度の向上： ピクセルアレイの基本速度は抵抗容量（RC）時定数によって制限されますが、金属を追加することで抵抗を減らし、速度を高めることができます。FSIセンサーでは、フォトダイオードに光を通す必要があるため、センサー表面の金属量に制約があります。この制約が処理速度のオーバーヘッドを生んでいました。フレームレートが上がり解像度が下がると、カメラはオーバーヘッドによる損失のために最大Gpx/秒スループットを発揮できません。BSIセンサーにはこの制約がなく、大幅に金属配線を増やせるため、オーバーヘッドを大幅に削減、あるいは排除できます。これにより、BSIセンサーは非常に高いフレームレート／低解像度の組み合わせでも、最大Gpx/秒スループットを維持できます。

BSIセンサーは10年以上前から、携帯電話や一般的なデジタルカメラなど多様な製品で利用されてきました。これらのコンシューマー向けカメラでは、低照度性能とダイナミックレンジの向上に実証済みのメリットをもたらしてきました。では、なぜ高速撮像への導入にこれほど時間がかかったのでしょうか。一言で言えば「サイズ」です。

高速カメラで使用されるセンサーとピクセルは、速度・解像度・感度のトレードオフを最小限に抑えるため、一般的なカメラよりもはるかに大きいです。例えば、携帯電話のカメラではピクセルサイズが1辺2μm未満であるのに対し、この新しいイメージセンサーのピクセルは通常1辺6μm以上、最大で28μmに達します。

BSIセンサーの製造プロセスは、同等のFSIセンサーよりも本質的に難しく、追加の製造ステップを必要とします。その中には、フォトダイオードを光源に近づけるためにバルクシリコンを除去するウェーハ裏面研磨ステップがあります。また、ウェーハ裏面でのアニール処理や表面への電気的接点形成など、追加の処理ステップもあります。高速イメージセンサーのサイズは、これらの製造上の困難をさらに増大させます。半導体の経済的現実も、一般カメラの大量生産から、比較的少量生産の高速撮像センサーへの技術移転を困難にしていました。製造プロセスを完成させ、実用的な歩留まりを達成するまでに時間を要したのです。

BSIイメージセンサーは、待つ価値のあるものでした。以下の点で新たな基準を打ち立てています：

• 速度。 このセンサーを搭載した最初のカメラは、フル1メガピクセル（1280×800）解像度で76,000 FPS、解像度を下げたりビニングを使用したりすることで、1桁以上高速な撮影が可能です。例えば、1280×32解像度および640×64ピクセルビニングで175万FPSに達します。従来、100万FPS以上のフレームレートに伴う解像度はほぼすべての科学用途で低すぎましたが、1280×32は幅広いアプリケーションで真に実用的な解像度を実現しています。

• 露光時間。 新センサーは、輸出管理対象のFASTオプションにより、最小95 nsの露光時間をサポートします。この高速露光により、流式細胞計測や燃焼解析など、モーションブラーが高品質画像取得の制約となっていた幅広いアプリケーションで、より高速な現象をブラーなしで捉えることが可能になります。

• ピクセルサイズ。 光不足条件下で作業する高速カメラは、できるだけ多くの光子を捕獲するため、歴史的に非常に大きなピクセルサイズを使用してきました。例えば、既存のFSI超高速センサーは1辺28μm、面積784μm²のピクセルを持っています。新しいBSI高速イメージセンサーは1辺18.5μmのピクセルですが、その優れた捕光能力により、28μmピクセルの従来FSIセンサーと同等の感度を、3倍の速度で実現しています。より小さなピクセルはサンプリング周波数（ナイキスト）も向上させ、エイリアシングが発生する前により高いlp/mm空間周波数を分解能できます。この能力により、センサーの分解能によって制限されていたフローサイトメトリー、粒子画像流速計測（PIV）、デジタル画像相関（DIC）などの高速アプリケーションにおける撮像システム性能が向上します。

BSIを超えて

新しいイメージセンサー設計に伴う性能ブレーククスルーは主にそのBSIアーキテクチャに基づいていますが、それ以上の設計特徴があります。特に、大量の撮像データを高速で読み出し、スループットを向上させる能力に関して、BSI単独では達成できない性能向上をもたらす複数の設計特徴を備えています。

アナログ-デジタル変換の課題解決。 CMOSイメージセンサーにアナログ-デジタルコンバータ（ADC）を内蔵することは標準的ですが、BSIセンサーの速度にはADCの大量増加が必要でした。最新のCMOSイメージセンサーでは通常1,000〜10,000個のADCが内蔵されていますが、新しいBSI高速センサーには40,000個のADCがあり、各々が523 nsごとに変換を行い、大量のデータをセンサーからオフロードする必要があります。このタスクを遂行するため、5 Gbps以上で動作する160の高速シリアル出力を搭載しています。この技術はCPUやFPGAでは一般的ですが、高速撮像センサーでは初めての採用です。

新センサーの高密度ADCは、電力管理と電気的クロストークの課題を生みましたが、設計・統合生産パートナーであるForza Siliconの協力で解決しました。シミュレーションはセンサー性能予測に常用されますが、このセンサーでは予測を得るために数週間の計算を要しました。

Forzaはシミュレーションの簡素化と、実際の結果と予測の分析による高速設計修正に豊富な経験を持っています。BSIセンサーの場合、初期設計のテストで、通常撮像とビニングモードの両方で、シミュレーションツールの予測より高いレベルのADCクロストークが発生し、画像に顕著なアーティファクトが現れることが判明しました。Forzaのエンジニアたちは、クロストークが予測可能なパターンを示すことを発見し、それを完全に排除するモデリング技術を開発。その結果、撮像アーティファクトも軽減されました。

最大スループットのためのビニング。 このセンサーは、より高速な速度でスループットを最大化するために2×2ビニングをサポートしています。高速センサーでのビニングは一般的ではありませんが、過去2機種のカメラで実装してきました。これはセンサーのカラムADCアーキテクチャの制約を緩和し、単にY次元を減らすよりも高速化を可能にします。このアプローチは、主に感度向上のためにビニングを用いるCCDカメラとは微妙に異なり、今回は速度向上のために使用されました。

BSIの違い

BSIは新しい技術ではなく、一般カメラや携帯電話カメラで大きな成功を収めてきました。これを高速撮像に適応させることで、光不足条件下での速度の限界を押し広げるセンサーが生まれました。

本記事は、Vision Research（米国ニュージャージー州ウェイン）のチーフサイエンティストRadu Corlan氏、R&D部門VPのKevin Gann氏、Forza Silicon（米国カリフォルニア州パサデナ）のエンジニアリングVP Loc Truong氏によって執筆されました。詳細については、Gann氏までご連絡ください。 This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. またはこちらをご覧ください。