松下开发的有机光电导膜（OPF）CMOS图像传感器技术可在任何光源照射下实现出色的色彩还原性能

日本大阪——松下控股株式会社宣布，该公司已开发出一种出色的色彩再现技术，该技术利用有机光电导层 (OPF) 的高光吸收率来减薄光电转换层，并采用电像素分离技术，从而抑制色彩串扰。在这项技术中，执行光电转换的 OPF 部分和存储和读出电荷的电路部分完全独立。这种独特的分层结构大大降低了目标范围之外的波长区域中每个像素对绿色、红色和蓝色的灵敏度。因此，无论光源类型如何，都可以减少色彩串扰，获得出色的光谱特性并实现准确的色彩再现。

传统的拜耳阵列型硅图像传感器对绿色、红色和蓝色的颜色分离性能不足。因此，例如在青光、品红光等特定波长处具有峰值的光源下，难以正确地再现、识别和判断颜色。

我们的OPF CMOS图像传感器具有独特的结构，其中将光转换成电信号的光电转换部分是有机薄膜，信号电荷的存储和读出功能在电路部分进行，完全独立彼此（图 1）。结果，与传统的硅图像传感器不同，可以提供不依赖于硅的物理性质的光电转换特性。具有高光吸收率的OPF使光电转换部分的减薄成为可能（（1）光电转换膜减薄技术）。通过在像素边界处提供放电电极，由于入射光在像素边界处引起的信号电荷被放电，并且来自相邻像素的信号电荷被抑制（（2）电像素隔离技术）。另外，由于OPF的下部覆盖有用于收集在OPF中产生的信号电荷的像素电极和用于释放电荷的电极，因此不能被OPF吸收的入射光不会到达电路侧。这抑制了传输（（3）光传输抑制结构）。通过以上三种技术，可以抑制从相邻像素进入的光和信号电荷。结果，如图 2 所示的光谱特性所示，颜色串扰可以减少到几乎理想的形状，并且无论光源的颜色如何，都可以实现准确的颜色再现（图 3）。

即使在传统图像传感器难以再现原始色彩的环境中（例如使用品红色光的植物工厂），该技术也能实现准确的色彩再现和检查。还可以准确再现具有细微颜色变化的物质的颜色，例如生物体。它还可以应用于管理皮肤状况、监测健康状况以及检查水果和蔬菜。此外，结合我们的 OPF CMOS 图像传感器* 的高饱和度特性和全局快门功能，它可以为高度稳健的成像系统做出贡献，这些系统能够高度容忍光源类型、照度和速度的变化。

该开发基于以下技术。

1. 光吸收率提高10倍的光电转换膜减薄技术
2. 在像素边界释放不需要的电荷的电像素隔离技术
3. 抑制光透过光电转换部的光透过抑制结构

这次开发的 OPF 的光吸收系数比硅高约 10 倍（图 4）。光吸收所需的距离缩短，允许将 OPF 设计得比硅光电二极管更薄，并且原则上可以减少来自相邻像素的倾斜入射光，这是颜色串扰的一个因素（图 5）。

在像素边界处产生的电荷包括由于倾斜入射光而源自相邻像素的信号电荷，这有助于颜色串扰和分辨率下降。在传统的硅图像传感器中，遮光层设置在像素之间的边界处以防止倾斜入射光。但是，被遮光层反射的光成为杂散光，进入相邻的像素，发生绕射绕射，导致遮光不充分。
因此，松下开发了一种结构，通过在像素边界处放置新的放电电极，将入射光在像素边界处引起的信号电荷放电，并抑制信号电荷从相邻像素侵入。如图6所示，通过设置放电电极，像素边界处产生的电荷被放电，从而抑制图像质量劣化。

入射到光电转换器（硅图像传感器中的光电二极管，OPF CMOS 图像传感器中的 OPF）上的光被光电转换为信号电荷。然而，部分光未被光电转换并通过，导致颜色串扰。与另一种光相比，红光具有更长的波长和更低的能量，更容易穿透并且具有更大的串扰。如图 7 所示，硅图像传感器传输约 20% 的波长为 600 nm 的光，而 OPF CMOS 图像传感器仅传输 1% 的相同波长的光。 OPF的底部覆盖有用于收集信号电荷的像素电极和用于释放电荷的电极。因此，不能被OPF完全吸收的入射光被电极吸收或反射，并且反射光再次被OPF吸收。此外，由于像素电极和放电电极之间的空间非常小，因此光难以通过OPF的下部。因此，OPF CMOS 图像传感器在结构上非常容忍颜色串扰。

今后，我们将针对商业广播摄像机、监控摄像机、工业检查摄像机和汽车摄像机等各种应用提出这些 OPF CMOS 图像传感器技术。我们还将为高度稳健的成像系统做出贡献，这些系统能够高度容忍光源类型、照度和速度的变化（图 8）。

松下将在 2023 年 3 月 15 日至 16 日在英国伦敦举行的国际学术会议 Image Sensors Europe 2023 上展示其中部分技术。

*[新闻稿] 松下使用有机光电导膜 CMOS 图像传感器开发出业界首款 8K 高分辨率、高性能全局快门技术
https://news.panasonic.com/global/press/en180214-2

[1] 拜耳阵列
安装在每个像素中的滤色器阵列之一，用于获取颜色信息。以RGGB的4个像素为单位重复排列。由于每个像素只有 R、G 或 B 颜色信息，其他颜色信息是从周围像素中插入的。

[2] 颜色串扰
将来自一个像素的信号混合到相邻像素中。在拜耳阵列型图像传感器中，由于相邻像素具有不同的颜色，所以颜色信号混合，导致无法再现准确颜色的状态。

[3] 色彩再现
捕获的图像可以多准确地再现对象的颜色。这受图像传感器的光谱、光源的光谱和目标物体的反射光谱的影响。

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