イメージセンサは光を電気信号に変換する半導体素子で，カメラなどに利用されます．イメージセンサはCCDイメージセンサとCMOSイメージセンサがあり，現在のほとんどのイメージセンサはCMOSイメージセンサです．本記事ではCMOSイメージセンサの基本構造について解説していきます．
CMOSイメージセンサとは
イメージセンサは光を電気信号に変換する半導体素子ですが，大きく分けてCCDイメージセンサとCMOSイメージセンサがあります．CCDイメージセンサは電荷で信号を転送するのに対し，CMOSイメージセンサは電荷を電圧に変換してから転送する違いがあります (詳しくはこちら)．
CMOSイメージセンサはCMOSプロセスを流用できるため，コストが低く，CMOSの回路を同じチップに搭載 (SoC: System on Chip)できるなどの特徴から現在の主流のイメージセンサになっています．
CMOSイメージセンサの基本構造
CMOSイメージセンサの基本構造を下図に示します．
まずは簡単に構造と動作を説明します．それぞれの回路については，次節以降でもう少し詳しく説明します．
まず画素で光を信号電荷に変換し、4Tr画素などではその電荷をFD（Floating Diffusion）へ転送して電圧に変換します。その電圧を画素内のソースフォロワなどでバッファして読み出します。信号は行単位で選択するため、一般的には垂直走査回路（行走査回路）で読み出す行を制御します。リセットレベルと信号レベルはCDS（Correlated Double Sampling）で差を取り、ADCでデジタル信号へ変換します。列方向の出力選択は水平走査回路（列走査回路）が行います。
画素
画素はイメージセンサに入ってきた光をフォトダイオードで電荷に変換して，信号を次に転送する素子です．
4Tr PPD画素を例にすると、フォトダイオード（PD）で光電変換して信号電荷を蓄積します。読み出し時にはまずRSTをオンにしてFD（Floating Diffusion）をリセットし、そのリセットレベルを読み出します。次にTGをオンにしてPDの信号電荷をFDへ転送し、FD容量によって電荷を電圧へ変換します。その信号レベルをソースフォロワ（SF）がバッファ・増幅して列信号線へ出力します。
３トランジスタと４トランジスタ
画素の構造に３トランジスタ (3トラ，3T，3Tr)と４トランジスタ (4トラ，4T，4Tr)があります．様々な方式がありますが，以下にそれぞれの回路例を示します．
名前の通り3Trは画素内に３つのトランジスタ，4Trは４つのトランジスタを持つ画素です．3Trは画素内のトランジスタが一つ少ないため，回路面積が小さくできます．回路面積が小さいと画素を小さくできたり，露光部分を大きくできるメリットがあります．4Trは回路面積は大きくなりますが，埋め込みフォトダイオードにして暗電流や残像によるノイズ，読み出しノイズを減らせるメリットがあります (構造によって様々)．そのため開発者は極力4Trを使いたいです。
最近では複数のフォトダイオード (PD)で画素回路を共有して，一つのトランジスタにつき平均で2Trや2.5Trなどとすることも多いです．
水平走査回路・垂直走査回路
上図で画素の横からリセット，行読出し，行選択の線が来ていることがわかります．リセットはPDとFDをリセット (信号がない状態)する信号です．行読出しはPDの電荷 (信号)をFDに転送する信号，行選択はどの行を読みだすかを選択するための信号です．これらの行方向の制御信号は、一般に垂直走査回路 （行走査回路）で制御されます。
垂直走査回路 によって行を選択して読み出し、さらに水平走査回路（列走査回路）によって外部へ出力する列を順に選択します。
CDS (Correlated Double Sampling: 相関2重サンプリング)
CDSはリセットレベルと信号レベルに差を取ることで信号を取り出す回路です．CDSはADCで信号をアナログからデジタルに変換する前にリセットレベルと信号レベル差を取るアナログCDSと，デジタル信号に変換してから差を取るデジタルCDSがあります．
ADC (Analog to Digital Converter)
ADCはアナログ信号をデジタル信号に変換する回路です．
SoC (System on Chip)
SoC (System on Chip)は一つのチップ上に複数の機能を持ちシステムを組み込まれているものです．CMOSイメージセンサは通常のCMOSプロセスを流用して作ることができます．そのため画素以外の回路も同じチップに搭載でき，TG (タイミングジェネレータ)やISP (Image Signal Processer)なども搭載してシステム全体を一つのチップに搭載できる特徴があります．
まとめ
- 画素：光を電圧に変換する素子
- 垂直走査回路：画素の制御や読み出す行を選択する回路
- 水平走査回路：出力する列を選択する回路
- CDS (Correlated Double Sampling)：信号レベルとリセットレベルから信号を取り出す回路
- ADC (Analog to Digital Converter)：アナログ信号をデジタル信号に変換する回路
- SoC (System on Chip)：一つのチップ上に複数の機能を持ちシステムを組み込まれているもの