イメージセンサは主に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２つがあります．CCDとCMOS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です。本記事ではそれぞれの構造の違いとそれぞれの特徴を説明します。
CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサ
CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサの概要
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電荷を電圧信号に変換・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イメージセンサの簡単な構造を下図に示します．CCDでは信号が電荷の状態で転送していきます．以下で簡単にCCDの動作方法について説明します．
CCDではまず、各画素のフォトダイオードで光信号を信号電荷に変換し、垂直CCDと水平CCDを介して信号電荷を出力部へ転送します。一般に共通の出力部で電荷を電圧へ変換・増幅するため、画素ごとの増幅器ばらつきは生じにくい一方、出力回路のノイズや電荷転送効率、クロック駆動などの影響は存在します。また、高速な電荷転送のため比較的大きなクロック電圧を用いることがあり、消費電力が大きくなりやすい傾向があります。
CMOSイメージセンサとは
CMOSイメージセンサは，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てから転送します．下図にCMOSの構造図を示します．
CMOSでもまずフォトダイオードで光信号を信号電荷に変換します．その後，各画素にあるアンプで信号を電気信号に増幅 (変換)します．次に，図の赤線のように縦と横で画素を選択し，選択した画素の電気信号を出力します。これをすべての画素で行うことで画像を出力します。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。
PPSとAPS
補足になりますが，イメージセンサの区別としてPPS (Passive Pixel Sensors)，APS (Active Pixel Sensors)があります．
PPS（Passive Pixel Sensor）とAPS（Active Pixel Sensor）は主にCMOS画素回路の分類です。PPSは画素内に増幅器を持たず、APSは画素内に増幅素子を持ちます。CCDをPPSと分類するのは適切ではありません。
CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサの比較
以前はCCDが画質面で有利な用途が多くありましたが、埋め込みフォトダイオードや読み出し回路などCMOSイメージセンサの技術が進歩し、現在ではCMOSが主流です。CMOSは低消費電力化や周辺回路の集積がしやすく、量産時のコスト低減にも有利な場合があります。ただし、製品やプロセスによってコストは異なります。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
CCDイメージセンサの特徴としては下記のようなものがあります！
- 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
- 信号電荷を多数段のCCDで転送するため、転送効率やクロック駆動、出力回路などの影響を受ける
- 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
- 全画素で同じアンプを使うため，固定パターンノイズが小さい
- 電荷転送方式の制約を受けるため、CMOSに比べて部分読み出しの自由度が低い。構造によっては部分読み出しが可能なCCDもある
- 光が強いとブルーミング・スミアが発生する
CMOSイメージセンサの特徴
CMOSイメージセンサの特徴としては下記のようなものがあります！
- 消費電力がより小さい
- CMOS技術との親和性が高く、周辺回路を同一チップに集積しやすい。専用プロセスも使われるため、常にCCDより安価とは限らない
- 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
- 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 (ローリングシャッタの場合)
- CCDと比較してブルーミングやスミアを抑制しやすい
- 画素間クロストークは、CCD/CMOSの方式だけでなく、画素ピッチ、光学構造、素子分離などにも依存する
まとめ
- CCDイメージセンサ：信号を電荷で転送して，その後に一つのアンプで信号を増幅させるイメージセンサ．消費電力が大きく，より高価
- CMOSイメージセンサ：現在の主流．画素内で電荷を電気信号に変換後，信号を転送．より安価でセンサと他の回路を同じチップに乗せられる (system on chip)
- PPS (Passive Pixel Sensors)：画素に信号を増幅する機能がないセンサ
- APS (Active Pixel Sensors)：画素に信号を増幅する機能があるセンサ
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