【イメージセンサ】CCD・CMOSイメージセンサの違い

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工学

CCD (Charge Coupled Device)イメージセンサとCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサの大きな違いは転送と電荷を電気信号に増幅するタイミングが違います。本記事ではそれぞれの構造の違いとそれぞれの特徴を紹介します。

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CCDとCMOSの違い

CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサはどちらも光を電気信号に変換する素子です。しかしこの二つでは電荷の転送と、電荷を電気信号に変換するタイミングが違います。CCDイメージセンサでは画素内のフォトダイオードで発生した電荷を転送した後にアンプで電荷を電気信号に増幅します。一方CMOSイメージセンサは画素内のフォトダイオードで発生した電荷を電気信号に増幅した後に信号を画素アレイの外に転送します。

CCDイメージセンサとは

CCDイメージセンサは下の図のように各画素内で発生した電荷を垂直CCDに転送します。その後垂直CCDで次の画素へと電荷を転送します。これをバケツリレーのように繰り返し、電荷を水平CCDに転送していきます。一方水平CCDの電荷も同様に次の電荷が転送される前にバケツリレーのように電荷をアンプで電気信号に増幅し、随時出力します。このときすべての画素の電荷を同じアンプにより電気信号に増幅するため、アンプによるばらつきはありません。しかし転送速度を高速にするために、電源に高い電圧を使うため消費電力が大きくなります。

CCD_ImageSensor

CMOSイメージセンサとは

CMOSイメージセンサは下の図のようにフォトダイオードで発生した電荷を画素内のアンプで電気信号に増幅します。図の赤線のように縦と横で画素を選択し画素の電気信号を出力します。これをすべての画素で行います。CMOSイメージセンサでは画素内で電気信号に増幅したあとに信号転送するため、転送中に発生するノイズを抑えることができます。しかし各画素で別々のアンプを使うためアンプの増幅率などのばらつきが固定パターンノイズとして現れます

CCD・CMOSの比較

以前はCCDの性能が優っていたため、CCDが普及していました。しかし埋め込みダイオードなどの技術の登場によりCMOSの性能が上がり、CMOSは消費電力が低く、価格も低いという特徴からCMOSが主要となりました。さらにCMOSの開発などが盛んに行われ、今ではほとんどのイメージセンサでCMOSが使われています。一般的なCCDとCMOSの特徴を下にまとめます。

CCDイメージセンサの特徴

  • 信号を電荷で転送するため、転送中にノイズが乗りやすい
  • 電荷をバケツリレーのように転送するため時間がかかる
  • バケツリレー方式のため部分読み出しができない
  • 光が強いとブルーミング・スミアが発生する
  • 転送を早く行うために電源電圧が高くなり、消費電力が大きくなる
  • 製造工程が特殊なためCMOSより高価

CMOSイメージセンサの特徴

  • 電気信号に変換後に転送するため転送中に発生するノイズに強い
  • 各画素のアンプのばらつきにより固定パターンが発生する
  • 部分読み出しすることによりフレームレートの向上が可能
  • 動きに弱く、歪みが発生する (動きに強いCMOSもある)
  • ブルーミング・スミアが発生しない
  • LSIと同じ工程で作るためより安価
  • センサと様々な回路を同じチップに乗せられるため (system on chip) 、高速化やその他機能の追加が可能

まとめ

CCDは信号が電荷の状態で転送した後に電気信号に変換、CMOSは画素内で電荷を電気信号に変換後に信号を転送します。それぞれの方式には得意・不得意がありますが、現在はCMOSが主流となってます。

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