【CCD・CMOSの違い】イメージセンサの種類と動作原理
semi-journalイメージセンサの種類
イメージセンサーは信号の転送方式によりCCDとCMOSに大別されます。
- CCD
- CMOS
フォトダイオードで生成された電荷を垂直伝送路(垂直CCD)と水平伝送路(水平CCD)で転送する方式のイメージセンサー。
電荷はバケツリレー方式で転送されます。転送された電荷は増幅器で電圧に変換され出力されます。
フォトダイオードで生成された電荷を各画素の増幅器で電圧に変換した後、各行列のスイッチにより電圧を転送・出力するイメージセンサー。
スイッチのON・OFFで任意の画素のみデータを読み出すことが出来ます。
CCDの動作原理
CCDは電荷を「バケツリレー方式」で転送します。実際の動作原理は下記の通りです。
1.光照射による電荷の蓄積
フォトダイオードに光が照射され、電荷(電子・正孔)が蓄積します。
2.電荷の垂直伝送路への転送
MOSFETのゲートをONとし、電荷を垂直伝送路に流し込みます。
3.電荷の垂直転送
ゲート電圧を制御し、電荷を画素1つ分垂直に移動します。一部の電荷は水平伝送路に蓄えられます。
4.電荷の水平転送➀
水平転送路のゲート電圧を制御し、電荷を1つずつ水平に転送します。
転送された電荷を1つずつ増幅器で読み取り、各画素の信号を読み出します。
5.電荷の水平転送➁
水平転送路の電荷を転送し、アンプで順に読み取ります。
6.電荷の水平転送➂
水平転送路の電荷を転送し、アンプで読み取ります。
電荷をすべて読み取ったら、再度垂直伝送路の電荷を水平伝送路に送り出し、電荷を読み取ります。
CCDの動作原理
CMOSは画素ごとに電荷を電圧に変換・増幅した後、各画素・回路のスイッチにより転送します。いわば「信号の直送方式」です。
1.光照射による電荷の蓄積
フォトダイオードに光が照射され、電荷(電子・正孔)が蓄積します。
2.電荷を電圧に変換・増幅
各画素の増幅器で電荷を電圧に変換・増幅します。
3.垂直信号線に電圧を転送
各画素のスイッチ(MOSFET)を使用し、ライン(列)ごとに垂直信号線に電圧を転送します。
4.電圧を列回路で一時保管
電圧は列回路(CDS回路)により、画素・増幅器ごとにばらつきのあるノイズを除去し、一時的に保管されます。
5.水平信号線に転送・読み取り
列選択スイッチのON/OFFにより、各画素の電圧は水平信号線に転送され、1つずつ読み取ります。
読み出したい画素のみスイッチをONにすればよいので、消費電力が小さく高速読み出しが可能です。
CCD・CMOSイメージセンサの特徴と違い
| CCD | CMOS | |
|---|---|---|
| 感度 | 〇高い | ×低い |
| 画質 | ◎高画質 | 〇高画質 |
| 消費電力 | ×高い | 〇低い |
| 高速撮影 | ×困難 | 〇容易 |
| 集積性 | ×困難 | 〇容易 |
| コスト | ×高い | 〇安い |
感度
CMOSはフォトダイオード上の配線が3層ありますが、CCDは1層で入射光が遮られないため、CCDの感度はCMOSの2倍程度と言われています。しかし近年では、BSI型CMOSセンサーの登場により、CMOSの感度はCCD並みに向上しています。
画質
CCDは全画素に対し1つの増幅器を使用しますが、CMOSの場合には各画素ごとの増幅器・処理回路を使用します。増幅器・処理回路にはばらつきがあるため、出力された信号もばらつきを持つため、CCDと比較して画質が低下します。
消費電力
CCDはバケツリレー方式で電荷を転送しています。転送には各画素のゲート電圧を順番に制御する必要があるため、消費電力が大きくなります。一方、CMOSはスイッチのON/OFFで電圧を読み出しています。常にゲート電圧を使用するCCDとは異なり、スイッチング時のみ電力を消費するため、低電力です。
高速撮影(フレームレート)
CCDは電荷のバケツリレー方式のため、電荷の転送・読み出しには時間がかかります。一方、CMOSはスイッチングで電圧を読み取るため、高速撮影が可能です。
集積性
CMOSは「システム・オン・チップ」が可能です。パソコンのCPUなどと同じプロセスで製造可能なため、フォトダイオードや増幅器、転送用の回路を1つのチップとして製造することが可能であり、高い集積性があります。
コスト
CMOSはフォトダイオード～回路形成まで、類似のプロセスで集積可能なため製造工程がシンプルです。そのため、より安価にセンサーを作成可能です。
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