CMOSイメージセンサのノイズが発生する仕組み【完全解説】

CMOSイメージセンサのノイズが発生する仕組みを正しく理解することは、デジタルカメラの画質の本質を知る上で極めて重要です。なぜ高感度撮影でザラつきが現れるのか。その答えは、センサ内部の物理現象にあります。

本記事では、CMOSイメージセンサ内部で発生するノイズの種類と原因を、4Tr画素構造と信号処理の流れに沿って体系的に解説します。

CMOSイメージセンサの1画素は、主に以下の要素で構成されています。

ノイズはこの一連の流れの「あらゆる段階」で発生します。重要なのは、ノイズの種類ごとに「発生場所」と「支配条件」が異なる点です。

1. PD: Light to Charge

2. TG: Charge Transfer

3. FD: Charge to Voltage

4. RST: Reset FD potential

5. SF: Signal Amplification

6. SEL: Row Selection

ショットノイズは、光子が統計的にランダムに到達することによって生じるノイズです。

光は連続量ではなく「粒子」であるため、同じ照度条件でもフォトダイオードに到達する光子数には必ずばらつきが生じます。このばらつきはポアソン分布に従い、ノイズ量は信号量（光子数）の平方根に比例します。

Key Principles:

Poisson Distribution: Light particles (photons) arrive at random intervals.
The Paradox: More light means more total noise, but less noise relative to the signal.
The Solution: Increasing pixel size (full-well capacity) to collect more photons is the only physical fix.

暗電流ノイズは、光が入射していない状態でもフォトダイオード内部で生成される電荷に起因します。

これはシリコン結晶の欠陥において、熱エネルギーによって電子が勝手に飛び出してしまうためであり、温度が約 8°C 上がるごとに暗電流は倍増すると言われています。

Thermal Mechanism:

Thermal Generation: Heat energy kicks electrons out of the silicon lattice into the photodiode.
Shot Noise of Dark Current: The random arrival of these “unwanted” electrons creates grain even in pitch black.
Countermeasures: Pinned Photodiode (PPD) structures and cooling systems are essential for long exposures.

kTCノイズは、信号を読み出す前にフローティングディフュージョン（FD）の電位をリセットする際に発生する熱雑音です。

FDはコンデンサ（容量）の役割を持ちますが、リセット時に熱揺らぎによって電圧に微小な誤差が生じます。

対策：CMOSセンサーでは相関二重サンプリング（CDS）という技術を用います。リセット直後の電圧と信号転送後の電圧の「差分」を取ることで、このノイズを理論上キャンセルしています。

読み出しノイズは、電荷を電圧に変換し、増幅・デジタル化（A/D変換）する過程で混入するノイズの総称です。主に増幅アンプやADC（アナログ・デジタル変換器）に由来します。

低照度環境では元の信号が極めて少ないため、この「読み出しノイズ」の大きさが画質の限界を決めます。近年の「裏面照射型（BSI）」や「積層型」構造は、このノイズを極限まで減らすために進化してきました。

固定パターンノイズは、ランダムに動くノイズではなく、画面上の特定の場所に常に現れるノイズです。

近年の高性能センサーには、「デュアルコンバージョンゲイン（DCG）」技術が搭載されています。これは、光量に合わせてFDの容量を切り替える仕組みです。