JP7387600B2 - 固体撮像装置および内視鏡カメラ - Google Patents
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Description
本開示は、固体撮像装置および内視鏡カメラに関する。
以下、図面を参照に、特許文献１で開示された従来技術の固体撮像装置について、説明する。図６は、従来技術の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
図６より、固体撮像装置１２０は、被写体からの光の信号を電気信号に光電変換するセンサ部１２１が備えられた画素基板１２２の裏面側に信号処理基板１２３が配置されて、二層に積層されている。信号処理基板１２３には、画像情報処理部１０４および画像情報出力部１２４が備えられている。
画像情報処理部１０４は、センサ部１２１から出力された電気信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）１２５と、Ａ／Ｄ変換部１２５により得られた画像情報と固体撮像装置１２０のイメージセンサ識別情報とが関連付けされた統合情報を形成する統合情報形成部１２６と、を少なくとも備えている。
画像情報出力部１２４は、Ａ／Ｄ変換部１２５から出力された画像情報および統合情報形成部１２６から出力された統合情報を外部へ出力する。
このような構成よって特許文献１の固体撮像装置は、取得した画像情報と撮像した画像情報との同一性を保証することを図っている。
近年、例えば医療現場では、検査や手術のたびに再度使える状態に滅菌された固体撮像装置（または、カメラ、一例として、固体撮像装置が搭載された内視鏡カメラ）を使用する代わりに、使い捨ての固体撮像装置（一例として、パッケージで病院に届けられる使い捨ての固体撮像装置）を使用することが求められる場合がある。
しかしながら、従来技術で開示された固体撮像装置は、使い捨て用途には適していないという課題を有する。例えば、従来の固体撮像装置を使い捨て用途にしたとしても、一度使用した後に再使用可能であり、例えば、誤って再使用されることが起こり得る。
上記課題に鑑みてなされたものであり、使い捨て用途に適し、再使用されることを困難にする固体撮像装置および内視鏡カメラを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本開示に係る固体撮像装置は、入射光を受光する受光部を有する第１の半導体基板と、前記受光部からの信号を処理して画像信号を生成する画像処理回路を有する第２の半導体基板とを備え、前記第２の半導体基板は、使用履歴データを格納する領域を有する不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリに使用履歴データが格納されているとき、前記画像信号の出力を制限する制御回路とを有する。
また、本開示に係る内視鏡カメラは、上記の固体撮像装置を備える。
本発明の固体撮像装置および内視鏡カメラによれば、使い捨て用途に適している。
以下、本開示に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。
なお、以下で説明する各実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
（実施の形態１）
図１は、固体撮像装置を用いた内視鏡カメラシステム１００構成例を示すブロック図である。
図１は、固体撮像装置を用いた内視鏡カメラシステム１００構成例を示すブロック図である。
この内視鏡カメラシステム１００は、検査および手術時における観察を行うカメラスコープ部１０と、観察画像の処理やカメラスコープ部の制御を行うシステム制御部２０とを少なくとも備えている。同図の内視鏡カメラシステム１００は、カメラスコープ部１０とシステム制御部２０がケーブル部３０を介してシステム制御部２０に接続されている。ケーブル部３０にはスコープコントローラ４０を有する。システム制御部２０には検査および手術時における観察を行うモニターや情報入力装置を備えている。
カメラスコープ部１０は、使い捨て型のカメラ（内視鏡カメラ）に相当する。図２は、カメラスコープ部１０の先端部分の構成例を示す図である。カメラスコープ部１０の先端には、固体撮像装置１、撮像レンズ２、照明光源３などを備えている。カメラスコープ部１０は、一度使用すると再度使用されることなく所定の方法により廃棄処分される。カメラスコープ部１０は、無菌化処理された使い捨て型のスコープ（つまり内視鏡カメラ）であり、ケーブル部３０に装着され、検査や手術後に廃棄される。
ケーブル部３０はシステム制御部２０に接続されている。
ケーブル部３０には、カメラスコープ部１０の動作を制御するスコープコントローラ４０が備えられ、スコープコントローラ４０は、固体撮像装置１、照明光源３などの各回路へ制御信号を出力する。
図３は、実施の形態１に係る固体撮像装置１の構成例を示す図である。同図の固体撮像装置１は、第１の半導体基板１Ａと第２の半導体基板１Ｂとを有する。第１の半導体基板１Ａは、表面に受光部１１を備える。第２の半導体基板１Ｂは、画像処理回路１２と制御回路１３とを有する。制御回路１３は、使用履歴担保回路とも呼ぶ。照明光源３から放射された光は、観察部位に照射される。観察部位において反射した光は、撮像レンズ２を通り、図３に示す固体撮像装置１の第１の半導体基板１Ａの入射光を光電変換する光電変換部（画素、一例として、フォトダイオード）を有する単位セル（画素セル）が２次元配列された受光部（画素部）１１に到達し、光量に応じた信号が生成される。次に、第２の半導体基板１Ｂに送られた後、ＡＤ変換回路１２ａでデジタル信号に変換される。デジタル信号となった画像信号は、第２の半導体基板１Ｂの制御回路１３（使用履歴担保回路）に入力される。
図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置の第２の半導体基板１Ｂの構成例を示す図である。図４に示すように、第２の半導体基板１Ｂは、画像処理回路１２と制御回路１３とを備える。画像処理回路１２は、ＡＤ変換回路１２ａを有する。制御回路１３は、不揮発性メモリ１４、暗号化回路１５、入出力回路１６、判定回路１７、信号重畳回路１８および遮断回路１９を有する。
不揮発性メモリ１４には、あらかじめ固体撮像装置１に固有の識別ＩＤが書き込まれている。さらに、不揮発性メモリ１４は、使用履歴データを格納する領域を有し、カメラスコープ部１０を初めて使用するときに、システム制御部２０から送られた撮像機器情報、撮像日時などが使用履歴データとして不揮発性メモリ１４に書き込まれる。
不揮発性メモリ１４に格納された撮像機器情報、撮像日時、識別ＩＤを使用履歴情報群として暗号化回路１５により暗号化し、信号重畳回路１８により画像信号に重畳する。その時、信号重畳回路１８は、画像信号のうち有効画素以外の部分に重畳してもよく、また、画像信号のうち有効画素内の部分に電子透かしとして重畳しても良い。このようにして、識別ＩＤ、撮像機器情報、撮像日時などを暗号化されて重畳された画像信号が出力されることにより、被写体を撮像して得られる画像データの取り違えによる誤診などを防止でき、偽造や改竄も防止できる。
カメラスコープ部１０は、検査や手術後、取り外されて廃棄されるが、もし、間違ってケーブル部３０に再接続した場合には、使用履歴担保回路の判定回路１７により、不揮発性メモリ１４内の使用履歴情報群の判定が行われ、使用履歴が確認された場合には、遮断回路１９により画像信号が遮断される。例えば、遮断回路１９は、入出力回路１６における画像信号の出力を禁止する。このようにして、使い捨て用撮像機器が適切に使用され、かつ再利用されないことが保証できる。
なお、遮断回路１９は、画像信号を遮断する（つまり画像信号全部の出力を禁止する）代わりに画像信号の出力を制限してもよい。例えば、遮断回路１９は、画像信号のうち有効画素の部分の出力を禁止してもよいし、有効画素の部分を特定の画像データに置き換えてもよい。特定の画像データは、例えば、青色画面を示す画像データや「使用済」であることを示すメッセージ画像であってもよい。
本実施形態の固体撮像装置１は、撮像光学系からの入射光を受光する受光部１１を有する第１の半導体基板１Ａと、前記受光部１１からの信号を処理する画像処理回路１２を有する第２の半導体基板１Ｂとが積層して接合されている。
図５Ａおよび図５Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像装置１を示す積層チップの例を示す断面図である。同図のように、固体撮像装置１は、第２の半導体基板１Ｂと、その上に接合された第１の半導体基板１Ａとの積層体である。
なお、図５Ａは、Ｃｕ配線（金属配線）６２が形成された側から光が光電変換部６１に到達する構造、所謂、表面照射型構造（ＦＳＩ（Front Side Illumination）構造）であるが、本実施の形態１に係る固体撮像装置１は、図５Ｂに示すように、Ｃｕ配線（金属配線）６２が形成された反対側から光が光電変換部６１に到達する構造、所謂、裏面照射型構造（ＢＳＩ（Back Side Illumination）構造）を用いることも出来る。
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、第１の半導体基板１Ａは、第１のシリコン基板６０、光電変換部６１、Ｃｕ配線（金属配線）６２、カラーフィルタ６３、集光素子６４、貫通電極６５、電極パッド６６を含む。第１のシリコン基板６０には光電変換部６１が形成される。第１のシリコン基板６０上には、ＳｉＯ２膜（酸化膜）が形成される。このＳｉＯ２膜内部には、Ｃｕ配線６２等が形成されている。
第２の半導体基板１Ｂは、第２のシリコン基板５０、トランジスタ５１、Ｃｕ配線５２、不揮発性メモリのメモリ素子５３を含む。第２のシリコン基板５０上には、ＳｉＯ２膜が形成される。このＳｉＯ２膜内部には、トランジスタ５１、Ｃｕ配線５２、不揮発性メモリ１４のメモリ素子５３等が形成されている。
第１の半導体基板１Ａと第２の半導体基板１Ｂとの貼り合わせには、接着剤による接合や、基板の表面をプラズマで活性化して接合するプラズマ活性化接合などを用いることができる。本実施形態では、第１の半導体基板１Ａの表面に形成されたＳｉＯ２膜と、第２の半導体基板１Ｂの表面形成されたＳｉＯ２膜とプラズマ活性化で接合した。プラズマ活性化接合の工程としては、第１の半導体基板１Ａと第２の半導体基板１Ｂの表面をＣＭＰなどにより平坦化する工程、各基板の表面をプラズマ処理して活性化する工程、接合面を重ね合わせて２００～４００℃のアニール処理をして接合する工程を有する。アニール処理温度としては、配線などに影響を与えない４００℃以下の低温でプロセスを行うことが好ましいが、２００℃以下では接合強度が弱くなる。
このようにして受光部１１と信号を処理する画像処理回路１２とを別の半導体基板に分けて接合することにより、固体撮像装置１を小型化できる。そして、固体撮像装置１の小型化により、内視鏡カメラのスコープ径を細径化できる。
さらに、第２の半導体基板１Ｂの不揮発性メモリ１４は、第１の半導体基板１Ａとの接合面側に形成されるため、不揮発性メモリ１４内に格納された使用履歴データを物理的に解析することが困難である。さらに、不揮発性メモリ１４をＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）またはＲｅＲＡＭ（Resistive Random Access Memory）とすることにより、ＦｅＲＡＭの誘電率変化やＲｅＲＡＭの抵抗値変化を物理的に解析することはさらに困難となり、不揮発性メモリ１４内のすり替え防止や使用履歴データの正当性を担保できる。
通常、固体撮像装置１の形成プロセスと、ＦｅＲＡＭやＲｅＲＡＭの形成プロセスは大きく異なるため、混載して形成することが困難であるが、第１の半導体基板１Ａと第２の半導体基板１Ｂと分けて形成し、貼り合わせることにより、ＦｅＲＡＭやＲｅＲＡＭを搭載した固体撮像装置を実現できる。
つまり、例えば医療現場等において、固体撮像装置１が搭載された内視鏡カメラ（カメラスコープ部１０）による検査や手術では、検査および手術に用いる機器は、厳密な滅菌や高い無菌性を必要とし、検査あるいは手術の際に使用された後、内視鏡ならびにその構成部品などの患者に接触するものを蒸気による高温や薬剤で滅菌する必要し、内視鏡カメラには蒸気による高温や薬剤への耐性が求められる高額な内視鏡カメラを使用する代わりに、何度も行われる蒸気による高温や薬剤への耐性が求められないために低価格化が可能となる無菌性製品としてパッケージされた使い捨て（ディスポーサブル）の内視鏡カメラが求められる場合がある。そのような場合でも、カメラスコープ部１０は、その使い捨て用の内視鏡カメラとして適切に使用され、かつ再利用されないことを保証することができる。
言い換えると、本開示の実施の形態に係る固体撮像装置１は、撮像光学系からの入射光を受光する受光部１１を有する第１の半導体基板１Ａと、前記受光部１１からの信号を処理する画像処理回路１２を有する第２の半導体基板１Ｂとが積層して接合されている。第２の半導体基板１Ｂは、不揮発性メモリ１４と信号重畳回路１８と暗号化回路１５と入出力回路１６と判定回路１７と遮断回路１９とから構成される使用履歴担保回路を有する。この構成により、小型かつ使用履歴を担保でき、使い捨て用撮像機器が適切に使用され、かつ再利用されないことを保証できる固体撮像装置１を実現することができる。
さらに、不揮発性メモリ１４は、撮像機器情報、撮像日時、固体撮像装置の識別ＩＤなど格納する。この構成により、使用履歴と固体撮像装置の識別を保証することができる。
さらに、不揮発性メモリ１４に格納された情報を使用履歴データとして暗号化回路により暗号化し、信号重畳回路１８により画像信号に重畳する。さらに、使用履歴データは、画像信号のうちの有効画素以外の部分に重畳されている。さらに、使用履歴データは、画像信号のうちの有効画素内の部分に電子透かしとして重畳されている構成としても良い。この構成により、識別ＩＤ、撮像機器情報、撮像日時などを暗号化されて重畳された画像信号が出力されることにより、被写体を撮像して得られる画像データの偽造や改竄を防止できる。
さらに、第２の半導体基板１Ｂの不揮発性メモリ１４は、第１の半導体基板１Ａとの接合面側に形成されている。この構成により、不揮発性メモリ１４の上に第１の半導体基板１Ａが存在するため、不揮発性メモリ１４内に格納された使用履歴データを物理的に解析することが困難である。
さらに、不揮発性メモリ１４は、ＦｅＲＡＭまたはＲｅＲＡＭとしても良い。この構成により、ＦｅＲＡＭの誘電率変化やＲｅＲＡＭの抵抗値変化を物理的に解析することはさらに困難であり、メモリ内のすり替えや使用履歴を担保できる。
以上説明してきたように実施の形態１に係る固体撮像装置は、入射光を受光する受光部１１を有する第１の半導体基板１Ａと、受光部１１からの信号を処理して画像信号を生成する画像処理回路１２を有する第２の半導体基板と、を備え、第２の半導体基板１Ｂは、使用履歴データを格納する領域を有する不揮発性メモリ１４と、不揮発性メモリ１４に使用履歴データが格納されているとき、画像信号の出力を制限する制御回路１３（使用履歴担保回路）とを有する。
これによれば、使い捨て用途に適している。例えば、一度使用した後に、再使用することが困難である。すなわち、再使用されないことを保証することができる。
ここで、不揮発性メモリ１４は、使用履歴データとして、固体撮像装置を備える機器を示す撮像機器情報、撮像日時、および、固体撮像装置の識別ＩＤの少なくとも１つを格納してもよい。
これによれば、被写体を撮像して得られる画像データの取り違えによる誤診などを防止でき、また、画像データの偽造や改竄も防止できる。
ここで、制御回路１３は、不揮発性メモリ１４に格納された使用履歴データを暗号化する暗号化回路１５と、暗号化された使用履歴データを画像信号に重畳する信号重畳回路１８とを備えしてもよい。
ここで、信号重畳回路１８は、使用履歴データを、画像信号のうち有効画素以外の部分に重畳してもよい。
ここで、信号重畳回路１８は、使用履歴データを、画像信号のうち有効画素の部分に電子透かしとして重畳してもよい。
ここで、第２の半導体基板１Ｂは、第１の半導体基板１Ａと接合された接合面を有し、不揮発性メモリ１４は、第２の半導体基板１Ｂの接合面側に形成されてもよい。
これによれば、不揮発性メモリ１４に格納された使用履歴データを物理的に解析することが困難になり、使用履歴データの正当性を担保することができる。
ここで、不揮発性メモリ１４は、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）またはＲｅＲＡＭ（Resistive Random Access Memory）であってもよい。
これによれば、ＦｅＲＡＭの誘電率変化やＲｅＲＡＭの抵抗値変化を物理的に解析することはさらに困難となり、使用履歴データのすり替えを防止して正当性を担保することができる。
ここで、制御回路１３は、電源投入時に不揮発性メモリ１４に使用履歴データが存在するか否かを判定する判定回路１７と、不揮発性メモリ１４に使用履歴データが存在すると判定された場合に、画像信号の出力を遮断する遮断回路１９とを有していてもよい。
これによれば、使用履歴データが存在する場合に、画像信号の出力を遮断することによって再使用されないことを保証することができる。
また、実施の形態１に係る内視鏡カメラは、上記の固体撮像装置を備える。
これによれば、使い捨て用途に適している。例えば、一度使用した後に、再使用することが困難である。すなわち、再使用されないことを保証することができる。
本開示は、固体撮像装置およびカメラ（内視鏡カメラ）に適しており産業上有用である。
１ 固体撮像装置
１Ａ 第１の半導体基板
１Ｂ 第２の半導体基板
１１ 受光部
１２ 画像処理回路
１３ 制御回路（使用履歴担保回路）
１４ 不揮発性メモリ
１５ 暗号化回路
１７ 判定回路
１８ 信号重畳回路
１９ 遮断回路
１Ａ 第１の半導体基板
１Ｂ 第２の半導体基板
１１ 受光部
１２ 画像処理回路
１３ 制御回路（使用履歴担保回路）
１４ 不揮発性メモリ
１５ 暗号化回路
１７ 判定回路
１８ 信号重畳回路
１９ 遮断回路
Claims (6)
- 入射光を受光する受光部を有する第１の半導体基板と、前記受光部からの信号を処理して画像信号を生成する画像処理回路を有する第２の半導体基板と、を備え、
前記第２の半導体基板は、
使用履歴データを格納する領域を有する不揮発性メモリと、
前記不揮発性メモリに使用履歴データが格納されているとき、前記画像信号の出力を制限する制御回路とを有し、
前記制御回路は、
入出力回路と、
電源投入時に前記不揮発性メモリに前記使用履歴データが存在するか否かを判定する判定回路と、
前記不揮発性メモリに前記使用履歴データが存在すると判定された場合に、前記入出力回路における前記画像信号の出力を制限する遮断回路とを有する
固体撮像装置。 - 前記不揮発性メモリは、前記使用履歴データとして、少なくとも撮像日時を格納する
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記制御回路は、
前記不揮発性メモリに格納された前記使用履歴データを暗号化する暗号化回路を備える、
請求項１または２に記載の固体撮像装置。 - 前記第２の半導体基板は、前記第１の半導体基板と接合された接合面を有し、
前記不揮発性メモリは、前記第２の半導体基板の接合面側に形成されている
請求項１～３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。 - 前記不揮発性メモリは、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）またはＲｅＲＡＭ（Resistive Random Access Memory）である
請求項４に記載の固体撮像装置。 - 請求項１～５のいずれか一項に記載の固体撮像装置を備える
内視鏡カメラ。
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