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、カメラなどに使われます。イメージセンサはCDDイメージセンサとCOMSイメージセンサに大別できます。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、CCD・CMOSイメージセンサの違いについても説明します！
イメージセンサとは
イメージセンサは下の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異なり、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様々なものがあります。
イメージセンサの構造
イメージセンサは下の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。この光をそのまま電気信号に変換すると様々な周波数の光（様々な色の光）を含んでいるため白黒の画像になります。そこで光をカラーフィルタに通すことで必要のない周波数の光（必要のない色の光）を除去することでカラーの画像を取得できます。一般的なカラーの画像を取得するにはRGB (Red,Green,Blue)のカラーフィルタなどを使います。人の目では捉えられない赤外線などを取得するためのカラーフィルタや、そもそもカラーフィルターがないイメージセンサなどもあります。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、特徴とその説明を示します。画素数が多いほど出力画像が精細になります。しかし画素数が多いほど画質がいいわけではなく、画素数が増えるほど一画素のサイズが小さくなりSN比や感度が悪くなったりします。SN比が良いほどノイズの影響が小さく、感度がいいほど光を良くとらえられ、画質やフレームレートが向上できます。フレームレートが高いと高速で撮影できます。センサのサイズが大きくなるほど画素数や感度を向上させられるため一般に画質が向上しますが、センサが高価になります。
| 性能 (特徴) | 説明 |
| 画素数 | 画素の数 |
| SN比 | 信号とノイズの比 |
| ISO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・CMOSイメージセンサ
イメージセンサはCCDイメージセンサとCMOSイメージセンサに大別できます。二つの大きな違いは、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気信号に増幅したあとに信号を転送します。どちらにも強みと弱みがありますが、以前は性能で優っていた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イメージセンサはフォトダイオードで発生した電荷を次の画素へ転送し、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
- イメージセンサとは: 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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