【イメージセンサ】CMOSイメージセンサの基本構造

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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イメージセンサは信号電荷を転送するのに対し,CMOSイメージセンサは信号電荷を電圧に変換してから転送する違いなどがあります (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,コストが低いことやCMOSの回路を同じチップに搭載 (SoC: System on Chip)できる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

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.簡単に構造と動作を説明します.

画素で光を電気信号に変換して信号を次へと転送します.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て,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.

以下でもう少しそれぞれについて説明していきます.

図1 CMOSイメージセンサの基本構造

水平走査回路・垂直走査回路

図1の画素で横からリセット,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あるいはFDをリセットレベル (信号がない状態)にセットする信号で行読出しはPDの電荷 (信号)をFDに転送する信号,行選択は通常のCMOSイメージセンサでは一行ずつ読みだされるためどの行を読みだすか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.

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部分です.

図1でより詳しく説明すると光はフォトダイオード (PD)で光電変換されて電荷が発生します.CMOSイメージセンサでは一行ずつ読みだすため,一行ずつ以下の動作を行います.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.また行選択 (SL)をオンにすることで信号を後段に転送します.信号を画素の外に出す際にはソースフォロワ (SF)介して転送されます.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.

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部分です.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その他の回路も同じチップに搭載できるため,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

  • 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:光を電圧に変換して次に転送する部分
  • 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
  • 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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