イメージセンサー

イメージセンサーまたはイメージャーは、画像を形成するために用いられる情報を検出し、伝達する装置です。これは、光波（物体を通過または反射する際）の減衰量を信号（情報を伝達する小さな電流バースト）に変換することによって行われます。信号は光またはその他の電磁放射です。イメージセンサーは、デジタルカメラ、カメラモジュール、カメラ付き携帯電話、光学式マウス、医療用画像機器、熱画像装置などの暗視装置、レーダー、ソナーなど、アナログとデジタルの両方の電子画像機器に使用されています。技術の進歩に伴い、化学画像やアナログ画像は電子画像やデジタル画像に置き換えられる傾向にあります。

電子画像センサーには、主に電荷結合素子（CCD）とアクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）の2種類があります。CCDセンサーとCMOSセンサーはどちらも金属酸化膜半導体（MOS）技術に基づいており、CCDセンサーはMOSコンデンサを、CMOSセンサーはMOSFET（MOS電界効果トランジスタ）アンプをベースとしています。不可視放射線用のアナログセンサーは、様々な種類の真空管を使用するのに対し、デジタルセンサーにはフラットパネル検出器が含まれます。

CCDセンサーとCMOSセンサーの比較

ウェブカメラデジタルカメラの光センサーアレイの角の顕微鏡写真
Nikon Coolpix L2 6 MPのマザーボード上のイメージセンサー（左上）

デジタル画像センサーには、電荷結合素子（CCD）とアクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）の2つの主要な種類があり、相補型MOS（CMOS）またはN型MOS（NMOSまたはLive MOS ）技術で製造されています。CCDセンサーとCMOSセンサーはどちらもMOS技術に基づいており、[ 1 ] CCDの構成要素はMOSコンデンサであり、 [ 2 ] CMOSセンサーの構成要素はMOSFETアンプです。[ 3 ] [ 4 ]

小型民生機器に搭載されるカメラでは、一般的にCMOSセンサーが使用されています。CMOSセンサーは通常、CCDセンサーよりも安価で、バッテリー駆動の機器では消費電力が低いのが特長です。[ 5 ] CCDセンサーは放送品質の高いハイエンドビデオカメラに使用され、静止画撮影や全体的なコストが重視される民生機器ではCMOSセンサーが主流となっています。どちらのタイプのセンサーも、光を捉えて電気信号に変換するという同じ役割を果たします。

CCDイメージセンサーの各セルは、アナログデバイスであるピンドフォトダイオードです。[ 6 ]光がチップに当たると、各フォトダイオードに小さな電荷として蓄えられます。出力アンプ（1つまたは複数）に最も近いピクセルラインの電荷が増幅されて出力され、その後、各ピクセルラインは電荷をアンプに1ラインずつ近づけ、アンプに最も近い空きラインを埋めます。このプロセスは、すべてのピクセルラインの電荷が増幅されて出力されるまで繰り返されます。[ 7 ]

CMOSイメージセンサーは、CCDの少数の増幅器と比較して、各ピクセルに増幅器を備えています。そのため、CCDよりも光子を捕捉する領域が少なくなりますが、この問題は、各フォトダイオードの前にマイクロレンズを使用することで克服されています。マイクロレンズは、増幅器に当たって検出されなかった光をフォトダイオードに集光します。[ 7 ]一部のCMOSイメージセンサーは、フォトダイオードに当たる光子の数を増やすために、裏面照射も使用しています。 [ 8 ] CMOSセンサーは、CCDセンサーよりも少ない部品数、消費電力、および/または高速読み出しで実装できる可能性があります。[ 9 ]また、静電気放電の影響を受けにくいという利点もあります。

もう一つの設計であるハイブリッドCCD/CMOSアーキテクチャ（「 sCMOS 」という名称で販売されている）は、CCDイメージング基板にバンプボンディングされたCMOS読み出し集積回路（ROIC）で構成されています。この技術は赤外線スターリングアレイ用に開発され、シリコンベースの検出器技術に応用されています。[ 10 ]もう1つのアプローチは、現代のCMOS技術で利用可能な非常に微細な寸法を利用して、CCDのような構造を完全にCMOS技術で実装することです。このような構造は、個々のポリシリコンゲートを非常に小さなギャップで分離することによって実現できます。まだ研究の産物ではありますが、ハイブリッドセンサーはCCDとCMOSイメージャーの両方の利点を活用できる可能性があります。[ 11 ]

パフォーマンス

イメージセンサーの性能を評価するために使用できるパラメータは数多くありますが、ダイナミックレンジ、信号対雑音比、低照度感度などが含まれます。同等の種類のセンサーでは、サイズが大きくなるにつれて信号対雑音比とダイナミックレンジが向上します。これは、一定の積分時間（露光時間）において、より多くの光子がより広い面積のピクセルに当たるためです。

露出時間制御

イメージセンサーの露光時間は、一般的にフィルムカメラのような従来の機械シャッターか、電子シャッターによって制御されます。電子シャッターには「グローバルシャッター」と「ローリングシャッター」があり、後者の場合、イメージセンサー領域全体の光電子の蓄積が同時に開始・停止します。また、「ローリングシャッター」の場合、各行の露光間隔は、その行の読み出しの直前に行われ、画像フレーム全体（通常は横長フォーマットで上から下へ）を「ロール」するプロセスです。グローバル電子シャッターはあまり一般的ではありません。これは、露光間隔の終了から読み出しプロセス（通常は数ミリ秒後）まで電荷を保持するための「ストレージ」回路を必要とするためです。[ 12 ]

色分解

センサー上のベイヤーパターン
Foveonの色感知のための垂直フィルタリング方式

カラー画像センサーには、色分離機構の種類によっていくつかの主な種類があります。

  • インテグラルカラーセンサー[ 13 ]は、単一のモノクロCCDまたはCMOSイメージセンサー上に形成されたカラーフィルターアレイを使用します。最も一般的なカラーフィルターアレイパターンであるベイヤーパターンは、赤と青のピクセルごとに2つの緑のピクセルを格子状に配列したものですが、シアン、マゼンタ、イエロー、白のピクセルを使用するパターンなど、他の多くのカラーフィルターパターンも開発されています。[ 14 ]インテグラルカラーセンサーは当初、フォトレジストウィンドウを通して着色染料をモノクロCCDセンサー上に塗布されたポリマー受容層に転写することによって製造されました。[ 15 ]各ピクセルは単一の色（緑など）のみを提供するため、そのピクセルの「欠落した」色値（赤や青など）は、隣接するピクセルを使用して補間されます。[ 16 ]この処理は、デモザイク処理またはデベイヤー処理とも呼ばれます。
  • Foveon X3センサーは、層状のピクセルセンサーアレイを用いて、シリコン特有の波長依存の吸収特性を利用して光を分離し、あらゆる場所で3つの色チャンネルすべてを感知します。この方法は、写真用カラーフィルムの仕組みに似ています。
  • 3CCDは、3つの独立したイメージセンサーを使用し、ダイクロイックプリズムによって色分解を行います。ダイクロイック素子はより鮮明な色分解を実現し、色品質を向上させます。各センサーはそれぞれの通過帯域内およびフル解像度において同等の感度を持つため、3CCDセンサーはより優れた色品質と低照度性能を実現します。3CCDセンサーは完全な4:4:4信号を生成するため、テレビ放送、ビデオ編集、クロマキー視覚効果などで好まれています。

特殊センサー

欧州南天天文台（ESO）の極低温広視野撮像素子HAWK-Iが撮影したオリオン星雲の赤外線画像[ 17 ]

特殊センサーは、マルチスペクトル画像の作成、ビデオ喉頭鏡、ガンマカメラ、X線用のフラットパネル検出器やその他のセンサーアレイ、サーモグラフィー用のマイクロボロメータアレイ、天文学用のその他の高感度アレイなど、さまざまな用途に使用されています。[ 18 ]

一般的にデジタルカメラは平面センサーを使用していますが、ソニーは2014年に平面センサーで発生するペッツバール像面湾曲を軽減・除去する曲面センサーを試作しました。曲面センサーの採用により、レンズ径を短く小さくすることができ、レンズ構成部品数を削減しながらも、大口径化と周辺光量落ちの低減を実現しました。[ 19 ]

歴史

可視光用の初期のアナログセンサーはビデオカメラ用チューブでした。その歴史は1930年代に遡り、1980年代まで様々な種類が開発されました。1990年代初頭には、現代の固体CCDイメージセンサーに置き換えられました。[ 20 ]

現代の固体画像センサーの基礎はMOS技術であり、[ 21 ] [ 22 ] 、これは1959年にベル研究所のモハメド・M・アタラとダウォン・カーンが発明したMOSFETに由来する。[ 23 ]その後のMOS技術の研究は、電荷結合素子（CCD）やアクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）などの固体半導体画像センサーの開発につながった。[ 21 ] [ 22 ]

パッシブピクセルセンサー（PPS）は、アクティブピクセルセンサー（APS）の前身でした。[ 4 ] PPSは、増幅せずに読み出されるパッシブピクセルで構成され、各ピクセルはフォトダイオードとMOSFETスイッチで構成されています。[ 24 ]これはフォトダイオードアレイの一種で、ピクセルにはpn接合、集積コンデンサ、選択トランジスタとしてMOSFETが含まれています。フォトダイオードアレイは、1968年にG. Wecklerによって提案されました。[ 3 ]これがPPSの基礎となりました。[ 4 ]これらの初期のフォトダイオードアレイは複雑で非実用的であり、オンチップマルチプレクサ回路とともに、各ピクセル内に選択トランジスタを製造する必要がありました。フォトダイオードアレイのノイズも性能の制限となり、フォトダイオード読み出しバス容量によってノイズレベルが上昇しました。相関二重サンプリング（CDS）も、外部メモリなしではフォトダイオードアレイでは使用できませんでした。[ 3 ]

2022年6月、サムスン電子は2億画素のイメージセンサーを開発したと発表した。200MPのISOCELL HP3のピクセル数は0.56マイクロメートルで、サムスンによると以前のセンサーのピクセル数は0.64マイクロメートルで、2019年から12%減少している。新型センサーは、1インチ×1.4インチ（25×36mm）のレンズに2億画素を搭載している。[ 25 ]

電荷結合素子

電荷結合素子（CCD）は、1969年にベル研究所のウィラード・S・ボイルとジョージ・E・スミスによって発明されました。 [ 26 ] MOS技術の研究中に、彼らは電荷が磁気バブルのアナロジーであり、小さなMOSコンデンサに蓄えられることに気づきました。MOSコンデンサを一列に並べるのは比較的簡単だったため、適切な電圧をコンデンサに接続し、電荷をコンデンサからコンデンサへと段階的に移動させました。[ 21 ] CCDは半導体回路であり、後にテレビ放送用の最初のデジタルビデオカメラに使用されました。[ 27 ]

初期のCCDセンサーはシャッターラグに悩まされていました。これはピンフォトダイオード（PPD）の発明によってほぼ解決されました。 [ 4 ]これは1980年にNECの寺西信一、白木博光、石原康夫によって発明されました。 [ 4 ] [ 28 ]これは、低ラグ、低ノイズ、高量子効率、低暗電流の光検出器構造でした。[ 4 ] 1987年には、PPDがほとんどのCCDデバイスに組み込まれるようになり、民生用電子ビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラに欠かせないものとなりました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、そしてCMOSセンサーに使用されています。[ 4 ]

アクティブピクセルセンサー

NMOSアクティブピクセルセンサー（APS）は、1980年代半ばに日本のオリンパス社によって発明されました。 これはMOS半導体デバイス製造の進歩によって可能となり、MOSFETの微細化はミクロン単位、さらにはサブミクロンレベルに達しました。[ 3 ] [ 29 ]最初のNMOS APSは、1985年にオリンパスの中村勉氏のチームによって製造されました。[30] CMOSアクティブピクセルセンサー（ CMOSセンサー）は、その後、 1993年にNASAジェット推進研究所の科学者グループによって改良されました。[ 4 ] 2007年までに、CMOSセンサーの売上はCCDセンサーを上回りました。[ 31 ] 2010年代までに、CMOSセンサーはあらゆる新規用途においてCCDセンサーに大きく取って代わりました。

その他の画像センサー

最初の商用デジタルカメラは、 1975年に発売されたクロメンコ・サイクロプスで、32×32のMOSイメージセンサーを搭載していました。これはMOSダイナミックRAM（DRAM）メモリチップを改良したもので、1975年にはCromemco Cyclopsが発売されました。[ 32 ]

MOSイメージセンサーは光学式マウス技術に広く利用されています。最初の光学式マウスは、1980年にゼロックス社のリチャード・F・ライオン氏によって発明され、 5μmのNMOS集積回路センサーチップを採用していました。[ 33 ] [ 34 ] 1999年に発売された最初の商用光学式マウスであるIntelliMouse以来、ほとんどの光学式マウスはCMOSセンサーを使用しています。[ 35 ] 

2018年2月、ダートマス大学の研究者たちは、QIS（Quanta Image Sensor）と呼ばれる新しい画像センシング技術を発表しました。QISチップはピクセルの代わりに、研究者たちが「ジョット」と呼ぶものを備えています。それぞれのジョットは、光子と呼ばれる単一の光粒子を検出できます。[ 36 ]

参照

参考文献

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