電荷結合素子

電荷結合素子（CCD）は、連結されたコンデンサのアレイを含む集積回路です。外部回路の制御下で、各コンデンサは隣接するコンデンサに電荷を伝達することができます。CCDセンサーは、デジタル画像処理において主要な技術の一つです。

CCDイメージセンサーでは、ピクセルはp型ドープ金属酸化物半導体（MOS）キャパシタによって表されます。これらのMOSキャパシタはCCDの基本構成要素であり、^{[ 1 ]}画像取得が開始されると反転閾値を超えるバイアスがかけられ、入射光子が半導体酸化物界面で電子電荷に変換されます。その後、CCDはこれらの電荷を読み出すために使用されます。

CCDは光検出を可能にする唯一の技術ではないものの、CCDイメージセンサーは、高品質の画像データが必要とされる専門分野、医療分野、科学分野で広く使用されている。

消費者向けや業務用デジタルカメラなど、品質に対する要求がそれほど厳しくない用途では、一般的にアクティブピクセルセンサー（ CMOSセンサー（相補型MOSセンサー）とも呼ばれる）が使用されます。

しかし、CCDが初期に享受していた大きな画質上の優位性は時間とともに縮小し、2010年代後半以降はCMOSセンサーが主流技術となり、CCDイメージセンサーをほぼ完全に、あるいは完全に置き換えてしまった。

CCD の基本は金属酸化物半導体(MOS) 構造であり、 ^{[ 2 ]} MOS キャパシタがCCD の基本構成要素であり、^{[ 1 ] [ 3 ]}初期の CCD デバイスでは空乏型MOS 構造が光検出器として使用されていました。^{[ 2 ] [ 4 ]}

1960年代後半、ベル研究所のウィラード・ボイルとジョージ・E・スミスは、半導体バブルメモリの研究中にMOS技術の研究を行っていた。彼らは、電荷が磁気バブルのアナログであり、小さなMOSコンデンサに蓄積できることに気づいた。MOSコンデンサを一列に並べるのは比較的簡単だったので、電荷が次のコンデンサに伝わるように適切な電圧を印加した。^{[ 3 ]}これが、1969年にボイルとスミスによって電荷結合素子（CCD）の発明につながった。彼らは、ノートに「電荷バブルデバイス」と名付けた設計を考案した。^{[ 5 ] [ 6 ]}

1970年4月に発表されたこの概念を記述した最初の論文では、メモリ、遅延線、イメージング装置などの用途が挙げられていた。 ^{[ 7 ]}この装置はシフトレジスタとしても使用できる。この設計の本質は、半導体の表面に沿って電荷をある蓄積コンデンサから次の蓄積コンデンサへと転送できることである。

この原理を実証した最初の実験装置は、ワイヤボンディングによって電気的にアクセスできる、酸化シリコン表面上の間隔の狭い金属正方形の列でした。これは、1970 年 4 月にGil Amelio、Michael Francis Tompsett、および George Smithによって実証されました。 ^{[ 8 ]}これは、イメージセンサー技術における CCD の最初の実験的応用であり、光検出器として空乏型 MOS 構造を使用しました。^{[ 2 ]} CCD をイメージングに適用した最初の特許(米国特許第 4,085,456 号) は、1971 年に出願した Tompsett に譲渡されました。^{[ 9 ]}

集積回路技術を用いて作られた最初の実用的な CCD は、1970 年 8 月に Tompsett、Amelio、および Smith によって報告された単純な 8 ビットシフトレジスタでした。^{[ 10 ]}このデバイスには入力回路と出力回路があり、シフトレジスタとして、また粗雑な 8ピクセルの線形イメージングデバイスとしてその使用を実証するために使用されました。デバイスの開発は急速に進みました。1971 年までに、Michael Tompsett 率いる Bell の研究者たちは、単純な線形デバイスで画像をキャプチャできるようになりました。^{[ 11 ]} Fairchild Semiconductor、RCA、およびTexas Instruments を含むいくつかの企業がこの発明に着目し、開発プログラムを開始しました。元 Bell の研究者 Gil Amelio が率いる Fairchild の取り組みは、商用デバイスの最初のものであり、1974 年までに線形 500 要素デバイスと 2D 100 × 100 ピクセルデバイスが完成しました。コダック研究所の科学者であるピーター・LP・ディロンは、1974年からフェアチャイルドの100×100ピクセルのインターラインCCDにカラーフィルターアレイを重ね合わせることで、最初のカラーCCDイメージセンサーを発明しました。 ^{[ 12 ]}コダック機器部門で働いていた電気技師のスティーブン・サッソンは、1975年に同じフェアチャイルドの100×100 CCDを使用してデジタルスチルカメラを発明しました。 ^{[ 13 ]}

インターライン転送（ILT）CCDデバイスは、スミアを低減し、機械式シャッターを不要にするために、1973年にフェアチャイルドのL.ウォルシュとR.ダイクによって提案されました。明るい光源からのスミアをさらに低減するために、フレームインターライン転送（FIT）CCDアーキテクチャは、1981年に松下電器産業（現パナソニック）の堀井和也、黒田哲也、國井哲也によって開発されました。^{[ 2 ]}

イメージング用に電荷結合素子アレイ（800×800ピクセル）技術を搭載した最初のKH-11 KENNEN偵察衛星は1976年12月に打ち上げられた。 ^{[ 14 ]}岩間和夫のリーダーシップの下、ソニーは多額の投資を伴うCCDの大規模な開発に着手した。最終的にソニーはカムコーダー用のCCDの量産に成功した。これ以前に岩間は1982年8月に死去した。その後、彼の貢献を称えるために、彼の墓石にCCDチップが置かれた。^{[ 15 ]} 1981年に萩原義明が開発したプロトタイプを基に、ソニーは1983年に最初の量産型民生用CCDビデオカメラであるCCD-G5を発売した。^{[ 16 ]}

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。これはピン留めフォトダイオード(PPD)の発明によりほぼ解決されました。 ^{[ 2 ]}これは1980 年にNECの寺西信和、白木弘光、石原康夫によって発明されました。 ^{[ 2 ] [ 17 ]}彼らは、信号キャリアをフォトダイオードからCCD に転送できればラグをなくせることに気づきました。これが、低ラグ、低ノイズ、高量子効率、低暗電流の光検出器構造であるピン留めフォトダイオードの発明につながりました。 ^{[ 2 ]}これは、1982 年に寺西と石原が A. Kohono、E. Oda、K. Arai とともに、アンチブルーミング構造を追加して初めて公表しました。^{[ 2 ] [ 18 ]} NECで発明された新しい光検出器構造は、1984年にコダックのBCバーキーによって「ピン留めフォトダイオード」（PPD）と名付けられました。1987年には、PPDはほとんどのCCDデバイスに組み込まれ始め、民生用電子ビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラの定番となりました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、そしてCMOSセンサーで使用されています。^{[ 2 ]}

2006年1月、ボイルとスミスは米国工学アカデミーのチャールズ・スターク・ドレイパー賞を受賞し^{[ 19 ]}、 2009年にはCCDコンセプトの発明によりノーベル物理学賞を受賞しました^{[ 20 ]} 。マイケル・トンプセットは、最初のCCDイメージャーの設計と開発を含む先駆的な研究と電子技術により、2010年に国家技術革新メダルを受賞しました。彼はまた、 「CCDイメージャー、カメラ、サーマルイメージャーを含むイメージングデバイスへの先駆的な貢献」により、 2012年にIEEEエジソンメダルを受賞しました。

画像取得用のCCDには、光活性領域（シリコンのエピタキシャル層）と、シフトレジスタで構成された透過領域（厳密に言えばCCD本体）がある。

レンズを通してコンデンサアレイ（光活性領域）に画像が投影され、各コンデンサにその位置の光強度に比例した電荷が蓄積されます。ラインスキャンカメラで使用される一次元アレイは画像の1つのスライスをキャプチャしますが、ビデオカメラやスチルカメラで使用される二次元アレイは、センサーの焦点面に投影されたシーンに対応する2次元画像をキャプチャします。アレイが画像に露光されると、制御回路によって各コンデンサの内容が隣接するコンデンサに転送されます（シフトレジスタとして動作します）。アレイの最後のコンデンサは電荷を電荷増幅器に放出し、電荷増幅器は電荷を電圧に変換します。このプロセスを繰り返すことにより、制御回路は半導体内のアレイの内容全体を一連の電圧に変換します。デジタルデバイスでは、これらの電圧はサンプリングされ、デジタル化され、通常はメモリに保存されます。アナログデバイス（アナログビデオカメラなど）では、それらは連続アナログ信号に処理され（例えば、電荷増幅器の出力をローパスフィルタに入力することによって）、その後処理されて、送信、記録、またはその他の処理のために他の回路に送られます。^{[ 21 ]}

CCDイメージセンサーは、いくつかの異なるアーキテクチャで実装できます。最も一般的なのは、フルフレーム、フレーム転送、インターラインです。これらのアーキテクチャは、主にシャッター機構へのアプローチが異なります。

フルフレームデバイスでは、画像領域全体がアクティブ領域であり、電子シャッターは搭載されていません。このタイプのセンサーには機械式シャッターを追加する必要があります。そうしないと、デバイスのクロック同期や読み出し時に画像がブレてしまいます。

フレーム転送型CCDでは、シリコン領域の半分が不透明なマスク（通常はアルミニウム）で覆われています。画像は、数パーセントの許容範囲内のスミアで、画像領域から不透明領域または記憶領域に高速に転送できます。その後、アクティブ領域で新しい画像が積分または露光されている間に、その画像を記憶領域からゆっくりと読み出すことができます。フレーム転送型デバイスは通常、機械式シャッターを必要とせず、初期のソリッドステート放送カメラで一般的なアーキテクチャでした。フレーム転送型アーキテクチャの欠点は、同等のフルフレームデバイスの2倍のシリコン面積を必要とするため、コストが約2倍になることです。

インターラインアーキテクチャはこの概念をさらに一歩進め、イメージセンサーの列を一つおきにマスキングしてデータを保存します。このデバイスでは、画像領域から保存領域への転送に必要なピクセルシフトは1つだけで済むため、シャッター時間は1マイクロ秒未満に短縮でき、スミアもほぼ完全に解消されます。しかし、この利点には代償が伴います。撮像領域が不透明なストリップで覆われるため、フィルファクターが約50%に低下し、実効量子効率も同程度低下します。最新の設計では、この有害な特性に対処するため、デバイス表面にマイクロレンズを追加し、光を不透明領域からアクティブ領域へと導きます。マイクロレンズによって、ピクセルサイズやシステム全体の光学設計によっては、フィルファクターを90%以上にまで回復させることができます。

アーキテクチャの選択は、実用性によって決まります。高価で故障しやすく、電力消費の大きい機械式シャッターをアプリケーションが許容できない場合は、インターラインデバイスが適切な選択肢となるでしょう。民生用スナップショットカメラはインターラインデバイスを使用しています。一方、最高の集光性能が求められるアプリケーションや、コスト、電力、時間がそれほど重要でないアプリケーションでは、フルフレームデバイスが適切な選択肢となります。天文学者はフルフレームデバイスを好む傾向があります。フレーム転送は、インターラインデバイスのフィルファクターの問題が解決される以前によく見られた中間的な妥協案です。現在では、裏面照射型デバイスのようにインターラインアーキテクチャが利用できない場合に、フレーム転送が選択されるのが一般的です。

画素のグリッドを含むCCDは、デジタルカメラ、光学スキャナ、ビデオカメラなどの光検出デバイスとして使用されています。CCDは一般的に入射光の70%に反応するため（量子効率は約70%） 、入射光の約2%しか捉えない写真フィルムよりもはるかに効率的です。

最も一般的なタイプのCCDは近赤外線に感度があり、赤外線写真撮影、暗視装置、ゼロルクス（またはほぼゼロルクス）でのビデオ録画/写真撮影が可能です。通常のシリコンベースの検出器の場合、感度は1.1μmに制限されます。赤外線に対する感度のもう1つの影響として、赤外線遮断機能のないCCDベースのデジタルカメラやビデオカメラでは、リモコン からの赤外線が映り込むことがよくあります。

冷却によってアレイの暗電流が低減され、紫外線や可視光線といった低照度環境下でもCCDの感度が向上します。専門の天文台では、暗電流、ひいては熱雑音を無視できるレベルまで低減するために、検出器を液体窒素で冷却することがよくあります。

フレーム転送CCD

フレーム転送式CCDイメージャーは、ベル研究所のマイケル・トンプセットによってCCDイメージング用に提案された最初のイメージング構造です。フレーム転送式CCDは、高い露光効率と正確性を実現するために設計された特殊なCCDで、天文学や一部のプロ用ビデオカメラなどでよく使用されています。

天体観測用か否かを問わず、CCDの通常の動作は露光と読み出しの2つのフェーズに分けられます。最初のフェーズでは、CCDは入射光子をパッシブに収集し、セルに電子を蓄積します。露光時間が経過すると、セルは1ラインずつ読み出されます。読み出しフェーズでは、セルはCCDの全領域にわたって移動します。移動中もセルは光を収集し続けます。そのため、移動速度が十分でない場合、転送中に電荷を保持しているセルに光が当たることでエラーが発生する可能性があります。これらのエラーはローリングシャッター効果と呼ばれ、高速で移動する物体が歪んで見える原因となります。さらに、CCDは読み出し中に光を収集することはできません。移動速度を速くするには読み出し速度を速くする必要があり、読み出し速度を速くするとセルの電荷測定にエラーが発生し、ノイズレベルが高くなる可能性があります。

フレーム転送型CCDは、両方の問題を解決します。光に反応しない遮蔽領域があり、そこには光に曝される領域と同じ数のセルが含まれています。通常、この領域はアルミニウムなどの反射材で覆われています。露光時間が終了すると、セルは非常に高速に隠された領域に転送されます。この隠された領域では、入射光から保護されているため、セルの電荷を正確に測定するために必要な速度でセルを読み出すことができます。同時に、CCDの露光された部分は再び光を収集するため、連続する露光の間に遅延は発生しません。

このようなCCDの欠点はコストが高いことである。セル面積が基本的に2倍になり、より複雑な制御回路が必要となるためだ。

電子増倍型CCD

電子増倍型CCD（EMCCD、L3Vision CCD（英国のe2v Ltd.が販売した製品）、L3CCDまたはImpactron CCD（かつてテキサス・インスツルメンツが提供していたが現在は販売終了した製品）とも呼ばれる）は、シフトレジスタと出力アンプの間にゲインレジスタが配置された電荷結合素子である。ゲインレジスタは多数のステージに分割されている。各ステージでは、電子はアバランシェダイオードと同様の方法で衝撃電離によって増倍される。レジスタの各ステージでのゲイン確率は小さい（P < 2%）が、素子の数が多い（N > 500）ため、全体のゲインは非常に高くなる（${\displaystyle g=(1+P)^{N}}$）、単一の入力電子から数千もの出力電子が得られます。CCD から信号を読み取ると、通常は数個の電子からなるノイズ背景が発生します。EMCCD では、このノイズは単一の電子ではなく、数千個の電子に重畳されます。したがって、このデバイスの主な利点は、読み出しノイズが無視できるほど小さいことです。光電荷の増幅にアバランシェ降伏を利用する方法は、1973 年に George E. Smith/Bell Telephone Laboratories によって米国特許第 3,761,744 号ですでに説明されていました。

EMCCDは、高感度CCD （ICCD）と同様の感度を示します。しかし、ICCDと同様に、ゲインレジスタに適用されるゲインは確率的であり、ピクセルの電荷に適用された正確なゲインを知ることは不可能です。高ゲイン（> 30）では、この不確実性は、ゲインが1の場合と比較して量子効率（QE）を半分にするのと同様に、信号対雑音比（SNR）に影響を与えます。この影響は、過剰雑音係数（ENF）と呼ばれます。ただし、非常に低い光レベル（量子効率が最も重要となる場合）では、ピクセルには電子が含まれているか、含まれていないかのどちらかであると想定できます。これにより、確率的増倍に伴うノイズが除去されますが、同じピクセル内の複数の電子を単一の電子としてカウントしてしまうリスクがあります。この動作モードでは、同時光子による1つのピクセルでの多重カウントを避けるために、高いフレームレートが不可欠です。ゲインの分散は、右側のグラフに示されています。要素数が多くゲインが大きい乗算レジスタの場合、次の式で適切にモデル化できます。

$${\displaystyle P\left(n\right)={\frac {\left(n-m+1\right)^{m-1}}{\left(m-1\right)!\left(g-1+{\frac {1}{m}}\right)^{m}}}\exp \left(-{\frac {n-m+1}{g-1+{\frac {1}{m}}}}\right)\quad {\text{ if }}n\geq m}$$ ここで、Pは、 m個の入力電子とgの平均乗算レジスタゲインが与えられた場合にn 個の出力電子を得る確率です。入力電子の数が非常に多い場合、この複雑な分布関数はガウス分布に収束します。

低コストで解像度も高いため、EMCCDは多くの用途でICCDに取って代わる可能性を秘めています。ICCDは高速ゲートが可能という利点も持ち合わせており、レンジゲートイメージングなどの用途で依然として有用です。EMCCDカメラは、チップを-65～-95 ℃（-85～-139 °F）の温度範囲まで冷却するために、熱電冷却または液体窒素を用いた冷却システムが不可欠です。この冷却システムはEMCCDイメージングシステムにコスト増をもたらし、用途によっては結露の問題を引き起こす可能性があります。しかし、ハイエンドのEMCCDカメラには、結露の問題を回避するためにチップを密閉する恒久的な真空システムが搭載されています。  

EMCCDの低照度性能は、天文学や生物医学研究をはじめとする様々な分野で活用されています。特に、高速読み出し速度での低ノイズ特性は、微弱な光源や過渡現象を伴う様々な天文学的応用、例えば、微弱な星のラッキーイメージング、高速光子計数測光、ファブリ・ペロー分光法、高分解能分光法などに非常に有用です。近年では、これらのタイプのCCDは、従来のCCDやICCDと比較して低照度条件下でのSN比が向上したことから、小動物イメージング、単一分子イメージング、ラマン分光法、超解像顕微鏡、そして様々な最新の蛍光顕微鏡技術など、低照度応用の生物医学研究分野にも進出しています。

ノイズに関して言えば、市販のEMCCDカメラは通常、クロック誘起電荷（CIC）と暗電流（冷却の程度に依存）があり、これらが合わさって、1ピクセルあたり0.01～1電子の実効読み出しノイズを引き起こします。しかし、EMCCD技術の最近の進歩により、CICが大幅に少なく、電荷転送効率が高く、EMゲインが以前のものより5倍高い新世代のカメラが実現しました。これらの低照度検出の進歩により、1ピクセルあたり0.001電子という実効総バックグラウンドノイズが実現し、他のどの低照度イメージングデバイスにも匹敵しないノイズフロアとなっています。^{[ 27 ]}

電荷結合素子（CCD）は量子効率が非常に高く（理想的な量子効率は100％、入射光子1個あたり電子1個が生成される）、出力の直線性も良好で、写真乾板に比べて使いやすく、その他にも様々な理由から、CCDは紫外線から赤外線までのほぼすべての用途で天文学者によって急速に採用された。

熱雑音や宇宙線は、CCD アレイのピクセルを変化させる可能性があります。このような影響に対処するため、天文学者は CCD シャッターを閉じた状態と開いた状態で複数回露光を行います。シャッターを閉じた状態で撮影した画像の平均は、ランダムノイズを低減するために必要です。現像後、ダークフレームの平均画像は、シャッターを開いた状態で撮影した画像から差し引かれ、CCD の暗電流やその他の系統的欠陥 (デッドピクセル、ホットピクセルなど) が除去されます。最新の Skipper CCD は、同じ収集電荷でデータを複数回収集することでノイズに対抗し、精密な軽暗黒物質探索やニュートリノ測定に応用されています。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

特にハッブル宇宙望遠鏡は、生のCCDデータを有用な画像に変換するための高度に発達した一連のステップ（「データ削減パイプライン」）を備えています。^{[ 31 ]}

天体写真で使用されるCCDカメラは、風などの振動や、ほとんどの撮影プラットフォームの重量に耐えられるよう、頑丈な架台を必要とすることが多い。銀河や星雲を長時間露光で撮影するために、多くの天文学者はオートガイディングと呼ばれる技術を使用する。ほとんどのオートガイダーは、撮影中のずれを監視するために2つ目のCCDチップを使用する。このチップは、追尾の誤差を迅速に検出し、架台のモーターに修正を指示することができる。

CCDの珍しい天文学的応用例として、ドリフトスキャンと呼ばれるものがあります。これは、CCDを使用して固定望遠鏡を追尾望遠鏡のように動作させ、空の動きを追跡させるものです。CCD内の電荷は、空の動きと平行な方向に、同じ速度で転送および読み出されます。このようにして、望遠鏡は通常の視野よりも広い領域の空を撮影することができます。この技術を用いた最も有名な例は、スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（ SDSS ）で、空の4分の1以上を観測しています。ガイア宇宙望遠鏡もこの方式で動作する装置の一つで、6時間で1回転の一定速度で軸を中心に回転し、その間に空の360°×0.5°の帯状領域をスキャンします。星は焦点面全体を約40秒（実効露光時間）で通過します。

イメージャーに加えて、CCDは分光計^{[ 32 ]}や干渉計^{[ 33 ]}を含むさまざまな分析機器にも使用されています。

スマートフォンのデジタルカラーカメラを含むデジタルカラーカメラは、一般的に、CCDのモノクロピクセル上にカラーフィルターアレイが形成された一体型カラーイメージセンサー^{[ 34 ]}を使用しています。最も一般的なCFAパターンは、発明者であるコダックの科学者ブライス・ベイヤーにちなんで名付けられたベイヤーフィルターとして知られています。ベイヤーパターンでは、4つのピクセルからなる各正方形に、1つのフィルター処理された赤、1つの青、および2つの緑のピクセルがあります（人間の目は輝度に対する感度が高く、赤や青よりも緑に重みが置かれています）。その結果、輝度情報は市松模様のパターンを使用して各行と各列で収集され、色の解像度は輝度の解像度よりも低くなります。

3CCDデバイス（3CCD）と、画像を赤、緑、青の成分に分割するダイクロイックビームスプリッタープリズムを使用することで、より優れた色分離を実現できます。3つのCCDはそれぞれ特定の色に反応するように配置されています。多くのプロ用ビデオカメラや一部のセミプロ用ビデオカメラはこの技術を使用していますが、競合するCMOS技術の発展により、ビームスプリッターとベイヤーフィルターの両方を備えたCMOSセンサーが、ハイエンドのビデオカメラやデジタルシネマカメラでますます普及しています。ベイヤーマスクデバイスに対する3CCDのもう1つの利点は、量子効率（光感度）が高いことです。これは、レンズからの光の大部分がシリコンセンサーのいずれかに入るのに対し、ベイヤーマスクは各ピクセル位置に当たる光の大部分（2/3以上）を吸収するためです。

静止画、例えば顕微鏡観察の場合、ベイヤーマスクデバイスの解像度はマイクロ走査技術によって向上させることができます。カラーコサイトサンプリングの過程で、シーンの複数のフレームが生成されます。取得の合間にセンサーがピクセル単位で移動し、視野内の各点が、その色の赤、緑、青の各成分に感度を持つマスクの要素によって連続的に取得されます。最終的に、画像内のすべてのピクセルが各色で少なくとも1回スキャンされ、3つのチャンネルの解像度が等しくなります（赤と青のチャンネルの解像度は4倍になり、緑のチャンネルの解像度は2倍になります）。

CCDの露光時間が十分に長くなると、画像の最も明るい部分にある「ビン」に集まった電子が最終的にビンから溢れ出し、ブルーミングが発生します。CCDの構造により、電子は一方の方向に流れやすく、もう一方の方向には流れにくくなるため、垂直方向の筋が発生します。^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

CCDに組み込むことができるアンチブルーミング機能の中には、ピクセル領域の一部をドレイン構造に使用することで光に対する感度を低下させるものがある。^{[ 38 ]}ジェームズ・M・アーリーは、光収集領域を損なわず、したがって光感度を低下させない垂直アンチブルーミングドレインを開発した。

• CCDの基礎に関する学術論文
• ニコン顕微鏡におけるCCD入門
• デジタルイメージング技術の概念
• 統計的特性をさらに詳しく
• 天文学で使用されるL3CCD