CMOSイメージセンサの基本動作 (垂直走査回路・水平走査回路・画素)

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工学

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.

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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.

図1 CMOSイメージセンサの基本構造

CMOSイメージセンサの基本動作

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
  1. PD (フォトダイオード)で信号電荷が発生する
  2. 読出したい行の行選択をオンにしておく
  3. 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
  4. 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ます
  5. 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
  6. 行選択がオンであるため信号レベルがSFを介してCDS・ADCに転送されます
  7. ADCでアナログ信号をデジタル信号に変換する
  8. 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
  9. 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ります
  10. 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に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ます.

以上の動作を図3のように走査してデジタル信号を出力していきます.このようにCMOSイメージセンサでは基本動作していきますが,実際はセンサによって様々な機能や動作があります.

図2 CMOSイメージセンサの基本動作
図3 CMOSイメージセンサの読出す順番 (例)

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

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