【図解】イメージセンサとは？CMOSイメージセンサの基本原理

イメージセンサってなに？聞いたことあるけど、どんなものかわからないそんな人のためのページになります。
まずはイメージセンサとは何なのかについて説明していきます！イメージセンサは知ってるけど、画素などについて知りたいというか方は、画素構造などの説明もしていますのでそちらをご覧ください。
イメージセンサについて全く知らないという方は、このサイトを通じて興味をもっていただけたらと思います。

イメージセンサとは?
CCD＆CMOSイメージセンサの基本的な仕組み
まとめ

イメージセンサとは?

　イメージセンサは、皆さんの身近のあらゆるところで使用されています。例えば一番身近なものでいうとスマホやデジカメですね。カメラに利用されているセンサで、まさに光を感知し画像化するセンサのことをイメージセンサといいます。

　カメラと呼ばれるものには、基本的にイメージセンサが使用されています。カメラの中でもイメージセンサは画質に関わる最も重要な部品といってもいいでしょう。画素数が低く、感度も悪いイメージセンサを使用したカメラは、画質が悪いカメラになってしまいます。逆に、良いイメージセンサを使用すれば、画質の良いカメラができます。もちろんイメージセンサだけですべてが決まるわけではないですが、イメージセンサの良し悪しで画質が大きく変化するほどカメラにとって、重要な部品になります。
　最近では、皆さんインスタグラムなどのSNSに写真を載せていると思います。噂によると1年間に219億枚の写真がアップロードされているみたいですよ。。この写真たちもほとんどがイメージセンサによって撮影された画像なんです！
　こんなに写真や動画を身近に扱えるようになったのも、イメージセンサの発展があるおかげなんですね。最近のスマホは2眼、3眼カメラが当たり前の世界になっています。しかも、撮影した画像を見るととてもきれいですね。一昔前のガラケーで撮った写真なんかを思い出してみても、近年のイメージセンサの高性能化がうかがえると思います。

　ちなみに、ここまでイメージセンサはカメラで写真や動画を撮るのに使用されるといっていますが他にも用途はあります。デジカメ、スマホなどの一般用途以外だと、車載用カメラ、医療用カメラ工場用カメラなどあらゆる分野で使用されています。

CCD＆CMOSイメージセンサの基本的な仕組み

　まずイメージセンサには、CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサと呼ばれるものがあります。では、CCDとCMOSイメージセンサそれぞれの構造について説明します。

CCDイメージセンサの構造　
　CCDとはCharge Coupled Deviceの略です。CCDイメージセンサは、フォトダイオードと電化転送用の垂直転送CCDが並んでいるような構造になっています。フォトダイオードで光電変換された電荷が垂直転送用CCDでバケツリレーのように転送され、水平転送CCDに転送されます。水平転送CCDに転送された電荷が最後のアンプで電圧に変換されて出力します。CCDイメージセンサはCMOSプロセスと違いCCDイメージセンサ製造は複雑になっています。そのため、製造できる企業は少なく製造自体もCMOSイメージセンサと比べると高価になります。また、CMOSイメージセンサに比べて消費電力が大きいなどの特徴があります。現在でこそCMOSイメージセンサが主流ですが、一昔前はノイズの少なさからCCDが主流になっていました。

CMOSイメージセンサについて
　CMOSはComplementary Metal-Oxide Semiconductorの略で、日本語に訳すと相補型金属酸化物半導体になります。CMOSイメージセンサの大きな特徴としては、CMOS LSI製造プロセスを使用するため、イメージセンサに必要な信号処理回路などと同一チップで製造可能になります。また通常のCMOSプロセスを用いた製造のため、高機能かつ小型での大量生産が可能になります。

CMOSイメージセンサの構造
　一般的なCMOSイメージセンサの構造を説明します。一般的にCMOSイメージセンサは、フォトダイオード、画素回路、ノイズ除去回路、AD変換器、水平走査回路、垂直走査回路で構成されています。画素に入り込んだ光が画素内で光電変換により信号を取得、読み出しが行われます。その後、信号に含まれるノイズをノイズ除去回路で除去しAD変換器でノイズの少ない信号をデジタル値に変換します。この流れをすべての画素で行うことで、画素アレイ全体で画素値が取得できます。また、CMOSイメージセンサはアドレス方式で画素を選択するので、読み出しの自由度が高いという特徴があります。

まとめ

それでは、まとめで記事のおさらいをします。

Q.イメージセンサとは？
A.カメラに使用されるセンサ。光を電気信号に変換し画像にするセンサです。

Q.CCDとCMOSイメージセンサのメリット、デメリットは？
A.CCDイメージセンサ
　　◆メリット
　　　高量子効率、暗電流が少ない。
　　◆デメリット
　　　システムオンチップができない。
　CMOSイメージセンサ
　　◆メリット
　　　システムオンチップができる。高FPS、HDRが可能。
　　◆デメリット
　　　暗電流などのノイズが多い。

　CMOSイメージセンサは現在もどんどん進化しています。これまではデジカメ、モバイル向けのイメージセンサの開発が大きく行われていましたが、今後は自動運転車両向けなど人が見る画像用途から、機械が認識する用途へと変化していくと考えられます。これからどのようにイメージセンサが進化していくか期待しながら見守りましょう！
　本サイトでは、イメージセンサのトレンドを掲載しながらイメージセンサの基礎情報についても掲載しできたらと思います。
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画素構造に関する記事も書いていますのでそちらもチェックお願いします。↓