CCDカメラ – metoree本番管理

CCDカメラとは

CCDカメラ

CCDカメラは、画像センサーにCCDを用いたカメラです。CCDとは、「Charge Coupled Device」の頭文字を取ったもので、電荷結合素子と言います。1982年にCCDを用いたカメラが実用化しました。

近年は、CMOSセンサーの技術革新によって、性能やコストの点で優れたCMOSセンサーに置き換えられています。しかしながら、一部の研究用途においてはCCDカメラが現役で活躍しています。CMOSに比べると写真のコントラストが強くなる傾向があり、趣味の世界では好んで使用する人もいます。

一部のコンパクトデジタルカメラでは、CCDセンサーが採用されていますが、一般向けのCCDセンサーはほとんど開発が終了しています。今後は、CMOSセンサーに置き換えられていく可能性が高いと言えます。

しかし、研究用途では重宝されるケースが多いです。例えば、生体分子の画像化において顕微鏡と組み合わせて利用されます。特に一分子の画像化は微弱な蛍光を検出するため、顕微鏡側の工夫とカメラ感度が重要です。CCDは感度が高いことが特徴と言えます。

さらにEM(electron multiplying、電子倍増)CCDによって検出信号を増幅すると、最大で1000倍程度まで検出感度を向上できます。

近年のCMOSセンサーは、量子収率の向上によって一分子蛍光の検出もカバーできます。ただし、一分子蛍光が微弱であるときは、信号増幅可能なEMCCDカメラの方が有利です。

CCDカメラは、レンズなどの光学系を通してフォトダイオードのアレイ(CCD素子)で構成されるCCDセンサーに結像させます。CCDセンサーは受光用と転送用で上下に分割されます。

受光用のCCD素子に光子が飛び込むと、光電効果で電子が発生し、CCD素子が電荷を蓄えます。各CCDに溜まった電荷は転送用のCCDに転送され、増幅器で電流の増幅が行われます。増幅された電流をCCDカメラの制御基板によって演算して、画像データへ変換します。

EMCCDでは増幅器に送る前の段階で、転送電荷に電圧を印加して電子倍増を行います。これは衝突電離という現象を利用したものです。電子を倍増するEMCCDでは一光子の検出も可能で、光子数の測定も行うことができます。

ただし、電荷の転送は一列全てのCCDで電荷が十分にたまらないと行われません。これが律速となって転送速度には限界があります。

フルフレーム型
フルフレーム型CCDは標準的なCCDで、理化学計測向けには最も感度が高く、ダイナミックレンジが大きいです。また、読出し時には素子に光が当たらないように遮光用シャッターが必要です。

フレームトランスファー型
フレームトランスファー型は受光用CCDと画像保管用CCDを2種類有したタイプです。受光した画像を一時保管するCCDに転送し、次を露光している間に保管している電荷を読み出す仕組みです。シャッターが不要な反面、2倍の面積のCCDを必要とします。

インターライン型
インターライン型CCDは1つの素子の中に受光部と格納部が配置されたタイプです。ビデオカメラなどのCCD素子がこのタイプになります。シャッターは不要ですが、開口数がフルフレームに比べて小さいです。

分光用カメラ
画像の分光スペクトルが得られるカメラです。撮影範囲内の分光特性を一度に計測できます。食品の鮮度の診断、異物の検出、工業分野では製品の色の管理などの応用があります。

生体観測用カメラ
顕微鏡に取り付けて生物の微細な動きの観察や極微弱光のイメージを観察する目的で冷却型CCDカメラが普及しています。重要になるのは高感度、高解像度、高速度です。

X線カメラ
軟X線～硬X線の範囲でX線CCDカメラが広く使われるようになってきています。CCDカメラは高感度、またダイナミックレンジが広いことが他の検出器と比較して優れています。

高速カメラ
秒速100コマ以上のカメラを高速度カメラと呼びます。自動車の衝突実験や工場の製造工程の管理など、産業用に多く使われるようになってきています。

CCDセンサーは電極の電荷をバケツリレーのように外部に取り出す方式です。C-MOSセンサーは各画素がフォトダイオードを持ち、半導体スイッチで高速切替しながら画素から直接信号を読み出します。したがって、下記のような違いがあります。

CCD=消費電力×/画質◎/価格×
C-MOS=消費電力◎/画質〇/価格◎

このように、画質はCCDのほうが優れており、価格はC-MOSの方が安価となります。

参考文献
https://andor.oxinst.com/learning/view/article/comparing-scmos
https://hamamatsu.magnet.fsu.edu/articles/emccds.html
https://www.tem-inc.co.jp/contents/small-camera/167/
https://www.tel.co.jp/museum/exhibition/principle/cmos.html