CMOSイメージセンサは現在で，主流の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動作について説明していきます．
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
基本的なCMOSイメージセンサは，図1のような構造をしています．まずは簡単に構造と動作を説明します．
まず画素で光を電気信号に変換します．次にこの信号を読み出していきます．信号を読み取る際は一行ずつ行うため，どの行を読みだすかを水平走査回路 (行走査回路)で選択しています．CMOSイメージセンサではリセットレベルと信号レベルを読出しますが，CDS (Correlated Double Sampling: 相関2重サンプリング)でその差分を取ることで信号を取り出します．ADC (Analog to Digital Converter)でアナログ信号をデジタル信号に変換します．信号は一画素ずつ出力され，どの列の信号を出力するかを垂直走査回路 (列走査回路)で選択しています．このようにCMOSイメージセンサでは信号が出力されます．
CMOSイメージセンサの基本動作
行ごとの基本動作
図２でCMOSイメージセンサの基本動作について説明していきます．水色は制御線，オレンジは信号線を表しています．図のように，ある列と行では以下のように動作しています．
CMOSイメージセンサの基本動作
- PD (フォトダイオード)で信号電荷が発生する
- 読出したい行の行選択をオンにしておく
- リセットをオンにすることでFD (フローティングディフュージョン)をリセットレベルにする
- 行選択がオンであるため，リセットレベルがSFを介してCDS・ADCに転送されて保存される
- 行読出しをオンにすることでPDの信号電荷がFDに転送する
- 行選択がオンであるため，信号レベルがSFを介してCDS・ADCに転送される
- ADCでアナログ信号をデジタル信号に変換する
- CDSでリセットレベルと信号レベルの差を取ることで信号を取り出す
- センサによってADCでデジタルに変換してCDSで差を取るか，CDSで差を取ってからADCに変換する方法がある
- CDS・ADCで出力されたデジタル信号を一列ずつ出力するため，垂直走査回路で出力する一列を選択してセンサ外に出力される
各行で繰り返し走査する
以上の動作を図３のように走査して，画素の信号を一つずつ出力していきます．今回はCMOSイメージセンサの基本的な動作を説明しましたが，実際はセンサによって様々な機能や動作があります．
まとめ
- 水平走査回路：読みだす行を選択する回路
- 垂直走査回路：出力する列を選択する回路
- 画素：光を電圧に変換する部分
- 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