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画像センサーまたはイメージャーは、画像を形成するために使用される情報を検出して伝達するセンサーです。これは、光波の可変減衰（物体を通過または物体で反射するとき）を信号、つまり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。波は光またはその他の電磁放射です。画像センサーは、デジタルカメラ、カメラモジュール、カメラ付き携帯電話、光学式マウスデバイス、[1] [2] [3]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タイプの電子画像デバイスで使用されます。テクノロジーの変化に伴い、化学画像およびアナログ画像は電子画像およびデジタル画像に置き換えられる傾向があります。
電子画像センサーの主な 2 つのタイプは、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) です。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 はMOS コンデンサーに基づいており、CMOS センサーはMOSFET (MOS 電界効果トランジスタ)アンプに基づいています。不可視放射線用のアナログ センサーには、さまざまな種類の真空管が使用される傾向があり、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
デジタル画像センサーの主な2つのタイプは、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）であり、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、[4] MOSコンデンサがCCDの構成要素であり、[5] MOSFETアンプがCMOSセンサーの構成要素です。[6] [7]
小型の消費者向け製品に組み込まれたカメラは、一般的にCMOSセンサーを使用します。CMOSセンサーは通常、CCDよりも安価で、バッテリー駆動のデバイスでは消費電力が低くなります。[8] CCDセンサーは、高品質の放送用ビデオカメラに使用され、CMOSセンサーは、全体的なコストが大きな懸念事項となる静止画撮影や消費者向け製品で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タスクを実行します。
CCDイメージセンサーの各セルはアナログデバイスです。光がチップに当たると、各フォトセンサーに小さな電荷として保持されます。出力アンプ（1つまたは複数）に最も近いピクセルのラインの電荷が増幅されて出力され、各ピクセルのラインは電荷をアンプに1ライン近づけてシフトし、アンプに最も近い空のラインを埋めます。このプロセスは、すべてのピクセルの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。[9]
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。これにより、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ある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焦点を合わせます。[9] 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、裏面照射も使用します。 [10] CMOSセンサーは、CCDセンサーよりも少ない部品で実装でき、消費電力が少なく、読み取りが高速になる可能性があります。[11]また、静電気放電の影響を受けにくくなります。
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 」という名前で販売) は、CCD イメージング基板にバンプ接合された CMOS 読み出し集積回路 (ROIC) で構成されています。これは、赤外線スターリングアレイ用に開発された技術で、シリコンベースの検出器技術に採用されています。[12]もう 1 つのアプローチは、最新の CMOS 技術で利用できる非常に微細な寸法を活用して、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で実現できます。まだ研究段階ですが、ハイブリッド センサーは、CCD イメージング装置と CMOS イメージング装置の両方の利点を活用できる可能性があります。[13]
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ーは多数あり、ダイナミック レンジ、信号対雑音比、低光量感度などがあります。同等の種類のセンサーの場合、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 (露出) 時間内に、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出時間は、一般的にフィルムカメラのような従来の機械式シャッターか、電子シャッターによって制御されます。電子シャッターは「グローバル」シャッターで、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および停止するか、「ローリング」シャッターで、各行の露出間隔が、その行の読み出しの直前に行われ、画像フレーム全体にわたって「ロール」するプロセス（通常は横長形式で上から下へ）です。グローバル電子シャッターは、露出間隔の終了から読み出しプロセスがそこに到達するまで（通常は数ミリ秒後）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、あまり一般的ではありません。[14]
色分解
カラー画像センサーには、色分離メカニズム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[15]は、単一のモノクロCCDまたはCMOSイメージセンサーの上に製造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つの緑のピクセルのチェッカーボード配置を使用しますが、シアン、マゼンタ、黄色、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。[16] インテグラルカラーセンサーは、当初、モノクロCCDセンサーの上にコーティングされたポリマー受容層にフォトレジストウィンドウを介して色付き染料を転写することによって製造されました。[17] 各ピクセルは単一の色（緑など）のみを提供するため、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。[18]この処理は、デモザイクまたはデベイヤー とも呼ばれます。
- Foveon X3 センサーは、層状のピクセル センサーの配列を使用して、シリコン固有の波長依存吸収特性によって光を分離し、すべての場所で 3 つのカラー チャネルすべてを感知します。この方法は、写真用のカラー フィルムの仕組みに似ています。
- 3CCD は、3 つの個別の画像センサーを使用し、色分離はダイクロイック プリズムによって行われます。ダイクロイック要素によって色分離が鮮明になり、色の品質が向上します。各センサーは、その通過帯域内で、フル解像度で同等の感度を持つため、3CCD センサーでは色の品質と低照度性能が向上します。3CCD センサーは、テレビ放送、ビデオ編集、クロマ キー視覚効果で好まれる完全な4:4:4信号を生成します。
特殊センサー
特殊なセンサーは、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。[20]
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、ソニーは平面センサーで発生するペッツヴァル像面湾曲を軽減/除去するために、2014年に曲面センサーを試作しました。曲面センサーを使用すると、レンズの直径が短くなり、要素とコンポーネントが減り、絞りが大きくなり、写真の端の光量低下が軽減されます。[21]
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の管でした。これは1930年代にさかのぼり、1980年代までいくつかのタイプが開発されました。1990年代初頭までに、これらは現代の固体CCDイメージセンサーに置き換えられました。 [22]
現代の固体画像センサーの基礎はMOS技術であり、[23] [24]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。 [25]その後のMOS技術の研究は、電荷結合素子（CCD）や後にアクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）を含む固体半導体画像センサーの開発につながった。[23] [24]
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。[7] 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。[26]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。[6]これがPPSの基礎となりました。[7]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パフォーマンスの制限となり、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。[6]しかし、1914年にカール・R・ループ副領事はアーチボルド・M・ローのテレビスタシステムに関する領事報告書の中で、「送信スクリーンのセレンは反磁性物質に置き換えることができると述べられている」と国務省に報告した。[27]
2022年6月、サムスン電子は2億画素の画像センサーを開発したと発表した。200MP ISOCELL HP3の画素数は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画素数は0.64マイクロメートルで、2019年から12％減少している。新しいセンサーには1×1.4インチ（25×36mm）のレンズに2億画素が搭載されている。[28]
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。 [29] MOS技術を研究しているときに、彼らは電荷が磁気バブルのアナロジーであり、小さなMOSコンデンサーに蓄えることができることに気づきました。一連のMOSコンデンサーを一列に製造するのはかなり簡単だったので、彼らは適切な電圧をそれらに接続し、電荷を1つから次のコンデンサーに段階的に移すことができました。 [23] 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。[30]
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。 [7]これは1980年にNECの寺西信和、白木宏光、石原康夫によって発明されました。 [7] [31]これは、ラグが少なく、ノイズが少なく、量子効率が高く、暗電流が低い光検出器構造でした。[7] 1987年には、PPDがほとんどのCCDデバイスに組み込まれ始め、民生用電子ビデオカメラ、次にデジタルスチルカメラに欠かせないものになりました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、次にCMOSセンサーに使用されています。[7]
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になり、MOSFETのスケーリングはより小さなミクロン、さらにサブミクロンのレベルに達しました。[6] [32]最初のNMOS APSは、1985年にオリンパスの中村勉のチームによって製造されました。[33] 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。[7] 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。[34] 2010年代までには、すべての新しいアプリケーションでCMOSセンサーが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使用していました。これは改良されたMOSダイナミックRAM（DRAM）メモリチップでした。[35]
MOSイメージセンサーは光学式マウス技術で広く使用されています。 1980年にゼロックス社のリチャード・F・リヨンが発明した最初の光学式マウスは、 5μmのNMOS集積回路センサーチップを使用していました。[2] [1] 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デバイスはCMOSセンサーを使用しています。[36]
2018年2月、ダートマス大学の研究者らは、研究者らがQIS（Quanta Image Sensor）と呼ぶ新しい画像センシング技術を発表した。QISチップにはピクセルの代わりに、研究者らが「ジョット」と呼ぶものがある。各ジョットは光子と呼ばれる単一の光の粒子を検出できる。[37]
参照
- デジタルカメラに使用されているセンサーの一覧
- コンタクトイメージセンサー（CIS）
- 電気光学センサー
- ビデオカメラチューブ、ビデオ用画像センサーの前に使用されていた
- 半導体検出器
- 充填率
- フルフレームデジタル一眼レフ
- 画像解像度
- イメージセンサーフォーマット、一般的なイメージセンサーのサイズと形状
- カラーフィルターアレイ、カラー画像センサー上の小さなカラーフィルターのモザイク
- 感光性材料の科学的研究であるセンシトメトリー
- テレビの歴史、1880年代以降の電子画像技術の発展
- 大型センサー交換レンズビデオカメラ一覧
- オーバーサンプリングバイナリイメージセンサー
- コンピュータービジョン
- プッシュブルームスキャナ
- 泡立て器スキャナ
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外部リンク
- ロジャー・クラークによるデジタルカメラセンサーの性能概要
- クラーク、ロジャー。「ピクセル サイズは重要ですか?」clarkvision.com。（バケツと雨水の類似点をグラフィックで表現）