4K対応1型1200万画素 CMOSイメージセンサ 電子デバイス事業本部 センシングデバイス事業部 第5開発部 （後列左から） 由井達哉 荒川友章 松岡伸明 （前列左から） 森川佳直 浦田卓治 CMOSセンサは画質という点で， ファ ンクション動作とは別の難しさがあり， 他半導体カテゴリーとの違いに，やり がいや面白さを感じています。開発に 当っては，市場のニーズにマッチした ファンクションと，タイミングをミートさせて デビューさせる事の両方が重要であり， チーム力，突破力，前進力を向上させ て，今後も取り組んでいきます。 シャープは，4K 動画撮影に対応し，業界最高※1 の感度1420mV/lux-sec ※2 を実現したデジタルビデオカメラ向け1型 1200 万画素CMOSイメージセンサ<RJ5DY1BA 0LT>を開発しました。4Kテレビは，世界的な放送インフラ環境 の整備とともに，普及拡大が見込まれています。本市場の立ち上りに伴い，デジタルビデオカメラなどの周辺機器に おいても4K 対応への期待が高まっています。本イメージセンサは， 1型の光学サイズで4K 動画撮影に適した3.1μm 角の大型画素セルを採用。独自の画素セル技術を活用することで，業界最高感度1420mV/lux-secと高色再現性を 実現しました。明るいシーンはもとより暗いシーンでも鮮明な画像の撮影に貢献します。また，画素信号の読み出し の高速化と，少ない電力でデジタル変換する独自の回路技術を搭載。4K 動画を60 fps ※3 で撮影する際に，業界トッ プレベルの低消費電力420mWを実現しました。低消費電力化によりイメージセンサの発熱を抑制できるため，搭載 機器の放熱設計の簡略化に貢献するとともに，熱によるノイズの少ない高画質撮影を可能にします。さらに，1200万 画素の静止画撮影にも対応し，デジタルスチルカメラ用途としても活用いただけます。 ※1 2014 年 8月20日現在。1型 4 K 対応のCMOSイメージセンサにおいて。シャープ調べ。 ※2 色温度 3200 K の光源，F 5 . 6 の光学系を用いて撮影した時のG 信号の平均出力。 ※3 60 frames per second の略。1秒あたり60 枚の静止画で構成される動画。 3.1μm 角 の 大 型 画 素セ ル と独自の 画素セル技術を活かし，業界最高感度 1420mV/lux-secと高色再現性を実現 4K/60fps の動画撮影に対応し，業界トッ プレベルの低消費電力 420mWを実現。 発熱によるノイズの少ない高画質撮影に貢献 1 型光学サイズで4 Kの動画撮影，およ び 1200 万画素の静止画撮影の両方に対 応した大型画素セルサイズ3 . 1μm 角を 採用。さらに，よりたくさんの光を集める独 自の高集光・高開口画素セル設計技術， 取り込んだ光を無駄なく電気信号に変換 する高効率フォトダイオード形成技術など により，業界最高感度 1420 mV/lux-sec と高色再現性を実現しました。明るいシー ンはもとより，暗いシーンでも鮮明な画像の 撮影に貢献します（図 1） （図 2） 。 一般的に撮影した画像信号は， 1ライン 毎に読み出しますが，本センサは，独自の 2ライン同時読み出し方式を採用しており， 4 K 動画撮影において， 60 fpsの高速撮影 に対応しました（フルHD/ 120 fpsにも対 応） 。また，高速読み出しと低消費電力 化はトレードオフの関係にありますが，当社 独自のアナログ電力半減回路技術の開 発により，業界トップレベルの低消費電力 420 mWを実現しました。一方，イメージ センサは，高温になるほど暗電流増大に より，ノイズが発生しやすくなり，画質の劣 化を招きますが，低消費電力化により発熱 を抑制しました。これにより，デジタルビデ オカメラなど搭載機器の放熱設計の簡略 化，小型化に寄与するとともに，高画質撮 影に貢献します（図 3） （図 4） 。 静止画撮影にも対応し，デジタル スチルカメラ用途でも活用 4 K動画撮影に加え， 1200万画素（ア スペクト比 4：3）の静止画撮影にも対 応しています。 【大型画素セル採用】 【大型画素セル採用】 【大型画素セル採用】 【大型画素セル採用】 【大型画素セル採用】 【画素構成】 【画素構成】 【画素構成】 【画素構成】 【画素構成】 光学サイズ 光学サイズ 光学サイズ 光学サイズ 光学サイズ 8K 8K 8K 8K8K 水 水水 平 平平 画 画画 素 素素 数 数数 水 水 平 4K 平 画 4K 4K 4K 4K 画 素 素 数 数 FullHD FullHD FullHD FullHD FullHD VGA VGA VGA 高感度 高感度 高感度 高感度 高感度 高解像度 高解像度 高解像度 高解像度 高解像度 今回 今回 今回 今回 今回 開発機種 開発機種 開発機種 開発機種 開発機種 2/3型 2/3型 2/3型 2/3型 2/3型 1/2.3型 1/2.3型 1/2.3型1/2.3型 3μm ★４K／６０ｆｐｓの高速撮影を実現 ★４K／６０ｆｐｓの高速撮影を実現 ★４K／６０ｆｐｓの高速撮影を実現 ★４K／６０ｆｐｓの高速撮影を実現 ★４K／６０ｆｐｓの高速撮影を実現 ４K動画撮影規格に対応 ４K動画撮影規格に対応 ４K動画撮影規格に対応 ４K動画撮影規格に対応 ４K動画撮影規格に対応 ★アスペクト比４：３の画素構成により ★アスペクト比４：３の画素構成により ★アスペクト比４：３の画素構成により ★アスペクト比４：３の画素構成により ★アスペクト比４：３の画素構成により １２００万画静止画撮影にも対応 １２００万画静止画撮影にも対応 １２００万画静止画撮影にも対応 １２００万画静止画撮影にも対応 １２００万画静止画撮影にも対応 水平画素数 = 4K 水平画素数 = 4K 水平画素数 = 4K 水平画素数 = 4K 水平画素数 = 4K 3.1μm 3.1μm 3.1μm3.1μm 1/2.3型 3.1μm 2μm ★ ３．１μｍ角大型画素セル採用 ★ ３．１μｍ角大型画素セル採用 ３．１μｍ角大型画素セル採用 ★★ ３．１μｍ角大型画素セル採用 ★高感度１４２０ｍV/lux-secを実現 ３．１μｍ角大型画素セル採用 高感度１４２０ｍV/lux-secを実現 高感度１４２０ｍV/lux-secを実現 高感度１４２０ｍV/lux-secを実現 高感度１４２０ｍV/lux-secを実現 （一般デジタルカメラの1/2.3型標準感度比：約4倍） 2 K2 K 2 2 2 K K K 1型 1型 1型 1型 1型 1μm 8M 8M8M 4K：2K 8M H：V = 8M H：V = 4K：2K H：V = 4K：2K H：V = 4K：2K H：V = 4K：2K （一般デジタルカメラの1/2.3型標準感度比：約4倍） （一般デジタルカメラの1/2.3型標準感度比：約4倍） （一般デジタルカメラの1/2.3型標準感度比：約4倍） （一般デジタルカメラの1/2.3型標準感度比：約4倍） 4/3型 4/3型 4/3型 4/3型 4/3型 低感度 低感度 低感度 低感度 低感度 低解像度 VGA 低解像度 低解像度 低解像度低解像度 VGA 今回開発したセンサの特長 今回開発したセンサの特長 今回開発したセンサの特長 今回開発したセンサの特長 今回開発したセンサの特長 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画撮影時 ４K動画／ ４K動画／ ４K動画／ ４K動画／ ４K動画／ ４K動画／ ４K動画／ ４K動画／ １２００万画素 ４K動画／ ４K動画／ １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 静止画撮影に対応 １２００万画素 １２００万画素 静止画撮影に対応 １２００万画素 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 静止画撮影に対応 12M 12M 12M H：V =12M 4K：3K 12M H：V = 4K：3K H：V = 4K：3K H：V = 4K：3K H：V = 4K：3K 4μm ★業界トップクラスの低消費電力420mWを実現 ★業界トップクラスの低消費電力420mWを実現 ★業界トップクラスの低消費電力420mWを実現 ★業界トップクラスの低消費電力420mWを実現 ★業界トップクラスの低消費電力420mWを実現 発熱によるノイズが少なく 発熱によるノイズが少なく 発熱によるノイズが少なく 発熱によるノイズが少なく 発熱によるノイズが少なく 放熱設計の簡略化に貢献 放熱設計の簡略化に貢献 放熱設計の簡略化に貢献 放熱設計の簡略化に貢献 放熱設計の簡略化に貢献 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 １２００万画素 静止画撮影時 １２００万画素 １２００万画素 静止画撮影時 １２００万画素 静止画撮影時 静止画撮影時 静止画撮影時 静止画撮影時 静止画撮影時 静止画撮影時 静止画撮影時 静止画撮影時 画素セルサイズ 画素セルサイズ 画素セルサイズ 画素セルサイズ 画素セルサイズ 図 1 3 . 1μm 角大型画素セル採用と画素構成 高速読み出し 高速読み出し （A） 共通の画素読出信号線を時分割使用して，2ライン分の同時画素 高速読み出し 高速読み出し 高速読み出し（A） 共通の画素読出信号線を時分割使用して， 2ライン分の同時画素 （A） 共通の画素読出信号線を時分割使用して， 2ライン分の同時画素 （A） 共通の画素読出信号線を時分割使用して， 2ライン分の同時画素 （A） 共通の画素読出信号線を時分割使用して， 2ライン分の同時画素 高感度 高感度 高感度 高感度 高感度 読み出しにより，4K/60fpsを実現 読み出しにより， 4K/60fpsを実現 読み出しにより， 4K/60fpsを実現 読み出しにより， 4K/60fpsを実現 読み出しにより， 4K/60fpsを実現 （B） 当社独自高速セトリング技術にて画素読出時間を50%短縮（※1） （B） 当社独自高速セトリング技術にて画素読出時間を50%短縮（※1） （B） 当社独自高速セトリング技術にて画素読出時間を50%短縮（※1） （B） 当社独自高速セトリング技術にて画素読出時間を50%短縮（※1） （B） 当社独自高速セトリング技術にて画素読出時間を50%短縮（※1） （A） 高集光技術・・・・光学シミュレーションにより最適化したレンズ形状 高集光技術・・・・光学シミュレーションにより最適化したレンズ形状 （A） 高集光技術・・・・光学シミュレーションにより最適化したレンズ形状 （A） （A） 高集光技術・・・・光学シミュレーションにより最適化したレンズ形状 高集光技術・・・・光学シミュレーションにより最適化したレンズ形状 （A）高開口技術・・配線レイアウト及び配線層厚みの削減 （B） 高開口技術・・配線レイアウト及び配線層厚みの削減 （B） 高開口技術・・配線レイアウト及び配線層厚みの削減 （B） 高開口技術・・配線レイアウト及び配線層厚みの削減 （B） 高開口技術・・配線レイアウト及び配線層厚みの削減 （B）フォトダイオード形成技術・・・深く形成し光電変換効率向上 （C） （C） フォトダイオード形成技術・・・深く形成し光電変換効率向上 （C） フォトダイオード形成技術・・・深く形成し光電変換効率向上 （C） フォトダイオード形成技術・・・深く形成し光電変換効率向上 （C） フォトダイオード形成技術・・・深く形成し光電変換効率向上 (A)(A) (B) (B)(B) 列AD変換器 （奇数ライン） (A) (B) (B) 列AD変換器 （奇数ライン） （※1）当社従来品比 （※1）当社従来品比 （※1）当社従来品比 （※1）当社従来品比 （※1）当社従来品比 画素読み出し 画素読み出し AD画素読み出し 変換 画素読み出し （偶数ライン） ADAD 変換 変換画素読み出し 偶数ライン （偶数ライン） AD 変換 （偶数ライン） AD 変換 （偶数ライン） 偶数ライン 偶数ライン （偶数ライン） ＆ 偶数ライン 画素読み出し 偶数ライン 画素読み出し ＆ ＆ 奇数ライン … 画素読み出し 画素読み出し 画素読み出し ＆ ＆ 画素読み出し …… 奇数ライン 奇数ライン 画素読み出し 画素読み出し （奇数ライン） 画素読み出し 画素読み出し （奇数ライン） 奇数ライン 奇数ライン 画素読み出し (B) (B) 奇数ライン読み出し 奇数ライン読み出し （偶数ライン） （偶数ライン） （偶数ライン） （偶数ライン） 画素エリア 画素エリア 画素エリア 画素エリア 画素エリア (A) (A) 偶数ライン読み出し 偶数ライン読み出し 奇数ライン読み出し 奇数ライン読み出し 奇数ライン読み出し 画素読出信号線 画素読出信号線 画素読出信号線 配線層（厚みを削減） 配線層（厚みを削減） 配線層（厚みを削減） 配線層（厚みを削減） 配線層（厚みを削減） (B)(B) (B) (A)(A) (A) 偶数ライン読み出し 偶数ライン読み出し 偶数ライン読み出し (A) (A) (A) (A) (A) 画素読出信号線 画素読出信号線 列AD変換器 （奇数ライン） 画素読み出し 列AD変換器 （奇数ライン） 列AD変換器 （奇数ライン） 画素読み出し 画素読み出し 画素読み出し （偶数ライン） 入射光 入射光 入射光入射光 入射光 オンチップレンズ オンチップレンズ オンチップレンズ オンチップレンズ オンチップレンズ カラーフィルタ カラーフィルタ カラーフィルタ カラーフィルタ カラーフィルタ (A) (A) Gb Gb B B Gb B R Gr R Gr R Gr （奇数ライン） （奇数ライン） （奇数ライン） （奇数ライン） Gb B 奇数ライン 奇数ライン 奇数ライン RGbGr 偶数ライン B 奇数ライン 奇数ライン 偶数ライン 偶数ライン偶数ライン R 偶数ライン Gr (Ｂ)(Ｂ) (Ｂ) 2ライン分の水平期間 2ライン分の水平期間 2ライン分の水平期間 2ライン分の水平期間 2ライン分の水平期間 (Ｂ) (Ｂ) 画素読み出し信号 画素読み出し信号 画素読み出し信号 画素読み出し信号 画素読み出し信号 列AD変換器 （偶数ライン） 列AD変換器 （偶数ライン） 列AD変換器 （偶数ライン） 列AD変換器 （偶数ライン） 列AD変換器 （偶数ライン） (B) (B) (B) (B) (B) (C) (C) (C) (C) (C) … … （奇数ライン） （奇数ライン） （奇数ライン） （奇数ライン） 高速セトリング技術 高速セトリング技術 高速セトリング技術 高速セトリング技術 高速セトリング技術 リセットサンプリング シグナルサンプリング リセットサンプリング シグナルサンプリング リセットサンプリング シグナルサンプリング リセットサンプリング シグナルサンプリング リセットサンプリング シグナルサンプリング 図 3 高速読み出し技術 フォトダイオードを フォトダイオードを フォトダイオードを フォトダイオードを フォトダイオードを 深く形成 深く形成 深く形成 深く形成 深く形成 従来品の深さ位置 従来品の深さ位置 従来品の深さ位置 従来品の深さ位置 従来品の深さ位置 図3（B）に示す，画素読出高速化技術にてアナログ電力を50%減（※2） 低消費電力図3（B）に示す， 画素読出高速化技術にてアナログ電力を50%減（※2） 図3（B）に示す， 画素読出高速化技術にてアナログ電力を50%減（※2） 低消費電力 低消費電力 画素読出高速化技術にてアナログ電力を50%減（※2） 図3（B）に示す， 画素読出高速化技術にてアナログ電力を50%減（※2） 低消費電力 低消費電力図3（B）に示す， （A） Column AD変換器の低電力化 （A） Column AD変換器の低電力化 （A） Column AD変換器の低電力化 （A） Column AD変換器の低電力化 （A）画素のソースフォロアの定電流源を低電力化 Column AD変換器の低電力化 （B） （B） 画素のソースフォロアの定電流源を低電力化 （B） 画素のソースフォロアの定電流源を低電力化 （B） 画素のソースフォロアの定電流源を低電力化 （B）発熱低減効果により， 画素のソースフォロアの定電流源を低電力化 （C） 暗電流が抑制され画質向上（※3） （C） 発熱低減効果により， 暗電流が抑制され画質向上（※3） （C） 発熱低減効果により， 暗電流が抑制され画質向上（※3） （C） 発熱低減効果により， 暗電流が抑制され画質向上（※3） （C） 発熱低減効果により， 暗電流が抑制され画質向上（※3） Ｐウェル Ｐウェル Ｐウェル Ｐウェル Ｐウェル (D) N-sub基板 (D) (D)N-sub基板 N-sub基板 (D) (D) N-sub基板 N-sub基板 (A) (A) (A) (A) 高色再現性 高色再現性 高色再現性 高色再現性 高色再現性 AD ADAD 変換器 AD AD 変換器 変換器 変換器 変換器 (B) (B) (B) (B) (B) (C)(C) (C) (A) (C) (C) 50%減 カバーグラス 50%減 50%減50%減 カバーグラス 50%減 カバーグラス カバーグラス カバーグラス 画素 画素 画素 画素 画素 50%減 50%減 50%減50%減 50%減 （D） N-sub基板を採用により，過剰電荷が他色の画素へ漏れ込み（混色）を （D） N-sub基板を採用により， 過剰電荷が他色の画素へ漏れ込み（混色）を N-sub基板を採用により， 過剰電荷が他色の画素へ漏れ込み（混色）を （D） （D） N-sub基板を採用により， 過剰電荷が他色の画素へ漏れ込み（混色）を N-sub基板を採用により， 過剰電荷が他色の画素へ漏れ込み（混色）を （D）抑制でき， 色再現性を向上 色再現性を向上 抑制でき， 色再現性を向上 抑制でき， 色再現性を向上 抑制でき， 色再現性を向上 抑制でき， （※2）当社従来品比 発熱 発熱 発熱 発熱 発熱 CMOS イメージセンサ CMOS イメージセンサ CMOS イメージセンサ CMOS イメージセンサ CMOS イメージセンサ 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 パッケージ パッケージ パッケージ パッケージ パッケージ パッケージ 放熱 放熱 放熱 放熱 放熱 （※3）熱コンダクタンス値：25mW/Kの場合，100mW低減で4℃の抑制効果 （※2）当社従来品比 （※3）熱コンダクタンス値：25mW/Kの場合， 100mW低減で4℃の抑制効果 （※2）当社従来品比 （※3）熱コンダクタンス値：25mW/Kの場合， 100mW低減で4℃の抑制効果 （※2）当社従来品比 （※3）熱コンダクタンス値：25mW/Kの場合， 100mW低減で4℃の抑制効果 （※2）当社従来品比 （※3）熱コンダクタンス値：25mW/Kの場合， 100mW低減で4℃の抑制効果 図 2 画素セル技術 図 4 電力低減技術による発熱の抑制 主な仕様 電源供給 1.8V 2.9V 電圧降下 レギュレータ 1.8V1.5V Sub-LVDS I/F 列選択回路（奇数ライン） ロジック回路へ カメラ カメラ 列AD変換器（奇数ライン） シリアル 画素アレイ プロセッサ フレーム同期信号 列AD変換器（偶数ライン） 列メモリ（偶数ライン） 列選択回路（偶数ライン） + ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1型 12M CMOS 行選択回路 リセット信号 シグナル 行選択回路 イメージ PLL タイミングジェネレータ 24MHz 参照クロック パラレル／シリアル変換器 SPI I/F 画像フォーマット処理＆補正 システム + + + - 名 光 学 サ イ ズ + - 列メモリ（奇数ライン） 4線 SPI通信 形 Data 10ch 画素／アナログ回路へ システム 5.76Gbps 576Mbps/ch 総 画 素 RJ5DY1BA0LT 1型 数 1311万画素 撮 像 画 素 数 1282万画素 画 素 サ イ ズ 3.1μm×3.1μm 感 度（t y p .） 1420mV/lux-sec イメージ シグナル プロセッサ 動 画 対 応 4K2K/60fps 消 費 電 力 420mW（4K2K/60fps撮影時） 図 5 ブロックダイアグラム シャープ技報 製品トピックス・2014年9月
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