イメージセンサは人の網膜にあたり、光を電気信号に変換する素子です。一眼レフカメラやスマホ、監視カメラや工場などの様々な場所で使われます。本記事ではイメージセンサがどのように光を電気信号に変換するかを説明したあと、CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサの違いについても簡単に紹介していきます！
イメージセンサの概要
イメージセンサとは何か
イメージセンサは下図のように，レンズから入った光を電気信号に変換する半導体素子です。イメージセンサは撮影する対象や用途などによって様々なものがあり、本格的なカメラ用やスマートフォン用、研究・開発用の特殊なカメラ用などとして使われます。
イメージセンサの基本構造
イメージセンサは下図のようにいくつかの層によって構成されます。
マイクロレンズはレンズを通った光を，さらに各画素に効率良く光を集光させます。
撮像素子自体は主に光量を検出するため、カラーセンサでは各画素の前にR/G/Bなど特定の波長帯を透過するカラーフィルタを配置します。得られた各画素の色情報から画像処理によってカラー画像を生成します。赤外線など特定の波長帯を取得するセンサや、カラーフィルタを持たないモノクロセンサもあります。
カラーフィルタを通った光はフォトダイオードで光電変換 (光→電荷)されます。この電荷を電圧に変換、出力、信号処理などを経て，画像が得られます。
イメージセンサの性能
イメージセンサは撮影する対象や用途などにより、性能や特徴が違います。下の表に主なイメージセンサの性能・特徴を示します。
画素数は画素の数のことで、多いほど出力画像を高精細にできます。ただし、同じセンササイズで画素数を増やすと1画素が小さくなりやすく、感度やS/N比とのトレードオフが生じます。S/N比は信号とノイズの比で、高いほどノイズに対して信号が大きいことを示します。感度が高いと、同じ明るさやS/N比をより短い露光時間や少ない光量で得やすくなります。そのため高速撮影に有利になる場合がありますが、感度そのものがフレームレートを決めるわけではありません。
センササイズが大きいと、同じ画素数なら画素を大きくしたり、同程度の画素サイズなら画素数を増やしたりできるため、設計上の自由度が高くなります。ただし、画質はセンササイズだけで決まるわけではなく、画素構造、回路、レンズ、信号処理などにも依存します。一般にセンササイズが大きいほど製造コストは上がりやすくなります。
| 性能・特徴 | 説明 |
|---|---|
| 画素数 | 画素の数 |
| SN比 | 信号とノイズの比 |
| 感度 | 光をとらえる能力 |
| 分光特性 | 各波長 (各色)の光の感度 |
| ダイナミックレンジ | 撮影できる明暗の領域 |
| フレームレート | 単位時間あたりの撮影枚数 |
| 電子シャッタ | 電子的にシャッタの制御 |
| 消費電力 | センサで消費する電力 |
| サイズ | センサの大きさ |
CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサ
CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサ
イメージセンサは主に，CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサの２つがあります．この２つについて簡単に紹介します (詳しくはこちら)。
２つの大きな違いは、CCDは信号電荷を転送後に電気信号に変換するのに対し、CMOSでは画素内で信号電荷を電圧信号に変換・増幅したあとに信号を転送することです。どちらにも強みと弱みがありますが，以前は画質で優れていたCCDが一般的でした。しかしCMOSの性能が向上し、またCMOSでは製造コストがより安価で、消費電力がより小さい特徴などから，現在ではCMOSイメージセンサが主流となりました。
CCDイメージセンサ
CCDイメージセンサは下図のように，フォトダイオードで発生した電荷を次の画素へ転送します．これを繰り返すことでバケツリレーのように信号電荷を転送し、アンプで電気信号に増幅します。
CMOSイメージセンサ
CMOSイメージセンサは下図のように，フォトダイオードで発生した信号電荷を画素内で電気信号に増幅し、その後信号転送します。
まとめ
- イメージセンサ：カメラの一部で光を電気信号に変換する素子
- CCDイメージセンサ：信号電荷を転送後に，電気信号に変換
- CMOSイメージセンサ：現在の主流．画素内で，信号電荷を電気信号に増幅したあとに信号を転送
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