２０００万コマ／秒の超高速動画撮影が可能なＣＭＯＳイメージセンサの開発に成功

＜研究の背景・経緯＞

１０００～１万コマ／秒の動画撮影が可能な高速度ビデオカメラは放送やスポーツ科学、自動車衝突実験などで利用されていますが、材料科学や生命科学、マイクロマシン技術の分野において、各種材料や細胞の挙動、衝撃波や放電に伴う物理現象を解明するために、１００万コマ／秒を超える超高速の撮影装置が必要とされています（図１）。従来このような装置として、記録コマ数分のイメージセンサを内蔵したカメラがありましたが、記録コマ数が極端に少ないため研究者が現象を確実に捉えることが難しいうえ、装置が大型で使いにくいという問題がありました。一方、記録コマ数が１００コマを超えるイメージセンサを搭載した小型のカメラも市販されていますが、撮影速度が最高１００万コマ／秒程度に留まっていました。

＜研究の内容＞

イメージセンサによる動画撮影は、入射光によって生じた電荷（電子または正孔）を集めて、その量を電気信号に変換する画素と、多数の画素から電気信号を送り出す伝送線と、送られてきた電気信号を１コマずつ記録するメモリ、の３つの要素によって成り立っています。撮影速度は、画素で電荷が集められる速さと、伝送線の本数と速さによって決まります。通常のイメージセンサではメモリが外部にあるために、伝送線の本数がセンサの出力端子の数で制約されてしまい、撮影速度を上げることができません。本研究のイメージセンサはメモリを内蔵し、撮影中にそのメモリに記録した電気信号を、撮影後に外部に読み出す方法を取ることにより、出力端子の数の制約を受けない超高速の動画撮影を可能にしました（図２）。これまでにも同様の概念のＣＣＤイメージセンサ^注２）で１００万コマ／秒程度の撮影速度を実現した例がありましたが、ＣＣＤイメージセンサは消費電力が大きいため、発熱の問題からそれ以上の高速化が困難でした。本研究では消費電力が少ないというＣＭＯＳイメージセンサの特長を活かすとともに、伝送線における電気信号の劣化を最小限に抑える設計を行った結果、大幅な速度向上を実現しました。また同時に、画素内部の電界分布（電荷を動かす力の分布）を最適化することにより、画素内の電荷が集められる時間を大幅に短縮しました。以上の結果、従来のＣＣＤイメージセンサに比べ２０倍の２０００万コマ／秒の撮影速度を実現することに成功しました（図３、図４）。

＜今後の展開＞

今後、本研究の成果をもとに超高速撮影装置の実用開発を進めます。この装置が普及し、さまざまな分野の超高速現象が解明されることにより、例えば軽量で耐衝撃性の高い自動車・航空機素材や、材料の無駄が少ないレーザ加工、放電加工などの高精度な加工技術、さらにはエネルギー消費が少ないインクジェット印刷による電子回路製作技術の開発が促進されるものと期待されます。また、情報通信などの分野で用いられるマイクロマシン部品の信頼性向上や、生命科学の基礎研究で利用されるレーザ細胞手術技術の改良にも役立つことが期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） ＣＭＯＳイメージセンサ

画素で生じた電荷信号を電圧信号に変化した後、ＣＭＯＳ回路で構成されたスイッチの切り替えにより順に伝送する方式のイメージセンサ。ＣＭＯＳはＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒの略で、相補的な２種類のＭＯＳトランジスタを組み合わせた回路構成のことを指す。消費電力がＣＣＤイメージセンサに比べ小さく、製造工程が簡単であることが特長。

注２） ＣＣＤイメージセンサ

画素で生じた電荷信号を、ＣＣＤを使って伝送する方式のイメージセンサ。ＣＣＤは電荷結合素子を意味し、Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅの略。ＣＣＤの駆動に高い電圧が必要なため、消費電力が大きい。

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