CMOSセンサーとは
CMOSセンサーは、デジタルカメラなどの撮影機器に用いられるイメージセンサーです。センサー面上には多数の受光素子が配置されていて、個々の受光素子で受けた光は電荷に変換されますが、その電荷はCMOSで構成した増幅回路を経て光の強さに応じた電圧もしくは電流として取り出されます。
かつてはCCDセンサーがイメージセンサーの主流として採用されてきました。CCDセンサーは電荷をCCDで転送して、フローティング・ディヒュージョン・アンプ(FDA)を介して電圧に変換する構造が特徴です。
CCDセンサーは感度、S/N比、暗電流の少なさの面でCMOSセンサーより有利ですが、電源構成が複雑になること、スミアの発生が避けられないこと、製造プロセスが特殊で一般的なCMOS LSIの生産設備が使えないことなどの面で不利です。最近では、CMOSセンサーにおける暗電流の影響を軽減する手法やS/N比の改善方法が進化した為、CMOSセンサーがイメージセンサーの主力となりました。
CMOSセンサーの使用用途
以前は安価に製造できることから、スマートフォンやタブレットに搭載されるカメラにはCMOSセンサーが採用されてきました。一方、高画質が要求される一眼レフカメラやビデオカメラではノイズが少ないCCDセンサーが主に使われていました。
しかしながら、CCDセンサーのノイズ除去の手段が進化すると、CCDセンサーで問題となっていたスミアやブルーミングが発生しないことから、徐々にCCDセンサーからCMOSセンサーへの置き換わりが進み、今ではあらゆる撮影装置の撮像素子としてCMOSセンサーが採用されています。
CMOSセンサーの原理
イメージセンサーは表面に多数配置された受光素子が光を受けたときに発生する電荷を、蓄積・転送し、電圧もしくは電流に変換して出力することが基本な機能です。この点においてCCDセンサーもCMOSセンサーも共通しています。
両者の大きな相違点は電荷転送の仕組みにあります。CCDセンサーは受光素子としてのフォトダイオードが格子状に形成されていますが、このフォトダイオードのN型領域に電荷を一時的に蓄積しておくことができます。
このフォトダイオードに隣接して垂直CCDが設置され、各フォトダイオードが一定時間に蓄積した電荷は全て同時に垂直CCDに移動されます。その電荷は順次転送され、水平CCDに届けられます。
水平CCDは垂直CCDから転送されてくる電荷を順次FDAまで転送します。FDAは電荷量に応じた電圧を出力しますので、フォトダイオードに照射された光の強さに応じた電圧出力が得られます。以上の様にCCDセンサーでは、すべてのフォトダイオードの電荷量が順次出力されます。
一方、CMOSセンサーでは各受光素子であるフォトダイオードと、その出力を増幅するアンプ、アンプ出力を信号線に接続するスイッチ素子を備えており、受光・変換・増幅・出力がフォトダイオード毎に実行されます。
この構成から、CMOSセンサーでは水平走査信号と垂直走査信号を組み合わせて個々のフォトダイオード指定し、その電荷量に応じた電圧、もしくは電流の取り出しが可能です。従って、任意のフォトダイオードを選択して信号を読み出すことができます。
このような構造上の違いにより、CMOSセンサーは必要な領域の信号に限定すること等により高速読み出しが可能になる事やCCDの転送ノイズが発生しないメリットがあります。さらに、CCDセンサーではCCDに流れ込むノイズ成分によるスミアが避けられませんが、CMOSセンサーにはそれが起こりません。
CMOSセンサーの構造
CMOSセンサーは受光素子であるフォトダイオードにアンプやスイッチ素子を組み合わせ、更にそれらを多数集積したものです。フォトダイオードの製造プロセスはトランジスタとは異なる特殊なものですが、その他の構成要素はCMOS LSIと全く同じなので、CMOSの製造設備が流用できる点がCCDより有利です。
フォトダイオードの配置についても新たな動きが出ています。アンプやスイッチ素子などの回路が形成される表面に対し、フォトダイオードを裏面に配置する裏面照射型と云われる構造です。フォトダイオードと回路とは内部配線を介して接続されます。製造プロセスが複雑になりますが、フォトダイオードを隙間なく配置できるので、特に集光効率が改善されます。
また、CMOSセンサー内の回路は片電源で動作しますので、基本的に3.3V程度の一つの電源を用意するだけで済みますが、CCDセンサーは転送路であるCCD に複数の電圧を供給する必要があり、その分電源構成が複雑になります。消費電力の面でもCMOSセンサーの方が有利です。
CMOSセンサーのその他情報
1. CMOSセンサーのシェア
CCDセンサーが全盛の頃Sonyは独占的なシェアを誇っていましたが、CMOSセンサーが主役となり、その最大の用途がスマートホンに移行した現在、徐々にSonyのシェアは低下する傾向が見られます。2021年におけるイメージセンサーの市場シェアは、金額ベースで首位のSonyが45%、2位のSamsungが26%、3位のOmniVisionが11％との調査結果が発表されています。
2. CMOSセンサーのサイズ
CMOSイメージセンサーには大きいサイズから小さいサイズのものまで様々な大きさのセンサーが発売されています。
CanonのCMOSイメージセンサーを例に取ると、次の6種類の異なるサイズのイメージセンサーがあります。
- 35mmフルサイズ(約36mm×24mm)
- APS-Hサイズ(約29mm×19mm)
- APS-Cサイズ(約22mm×15mm)
但し、一般販売されず、自社のカメラ用に限定しているようです。 - 1インチ
- 2/3インチ
- 1/1.8インチ
一般的に同じ画素数であれば、センサーサイズが大きいほど画質が良くなります。また、開口部が広いほど感度が向上します。
参考文献
https://www.tel.co.jp/museum/exhibition/principle/cmos.html
https://global.canon/ja/technology/s_labo/light/003/05.html
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00134/121700187/
https://av.jpn.support.panasonic.com/support/dsc/knowhow/knowhow28.html
https://global.canon/ja/technology/interview/cmos/