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、その信号を行単位で読み出します。一般的には垂直走査回路（行走査回路）が読み出す行を選択します。CMOSイメージセンサではリセットレベルと信号レベルを取得し、CDS（Correlated Double Sampling）で差を取って信号を抽出します。ADC（Analog to Digital Converter）でアナログ信号をデジタル信号へ変換し、水平走査回路（列走査回路）が出力する列を選択します。
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
- CDSとADCの順序は実装方式によって異なる
- アナログCDSでは、リセットレベルと信号レベルの差をアナログ領域で求めてからA/D変換する
- デジタルCDSでは、リセットレベルと信号レベルをA/D変換した後にデジタル値の差を求める
- 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
- 垂直走査回路：読み出す行を選択する回路
- 水平走査回路：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