【イメージセンサ】CMOSイメージセンサの基本構造

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工学

 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.

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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.

図1 CMOSイメージセンサの基本構造

 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.

 まずは画素で光信号→信号電荷→電気信号と変換します.その後それぞれの画素の信号を一つずつ読みだしていきます.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)で選択します.CMOSイメージセンサの信号の読出しは,リセットレベルと信号レベルを読出して,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.また,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.デジタルに変換された信号は一画素ずつ出力されますが,どの列の信号を出力するかを垂直走査回路 (列走査回路)で選択して読み出していきます.このようにCMOSイメージセンサでは信号が出力されます.

画素

図 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.

 上図でより詳しく説明すると,光がフォトダイオード (PD)で光電変換されて電荷が発生します.次に信号を読み出していきます.まず行読出しがオンになるとTGがオンになり,電荷がフローティングディフュージョン (FD)に転送されます.画素の構造によりますが,電荷をFDに転送する前か後にRSTをオンにすることで,FDをリセット (信号がない状態に)します.次に1行ずつ行選択 (SL)をオンにすることで,信号を1行ずつ読みだしていきます.信号を画素の外に出す際にはソースフォロワ (SF)介して,信号を電荷から電圧に変換 (増幅)してから転送します.ソースフォロワは画素内のトランジスタ (SF)と画素アレイ外のSF用負荷であるトランジスタで構成されます.

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)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.

図 3トランジスタ (3T,3Tr)・4トランジスタ (4T,4Tr)の回路例

 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

図 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.これらの信号は水平走査回路 (行走査回路)で制御されます.

 水平走査回路によって一行ずつ読みだされますが,さらに垂直走査回路 (列走査回路)によって外に出力する列を走査 (選択)して出力されます.

CDS (Correlated Double Sampling: 相関2重サンプリング)

図 CDS・ADC

 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
  • 水平走査回路:画素の制御や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
  • 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

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