イメージセンサ

マシンビジョンカメラに使われているイメージセンサは、ほとんどが CCD と CMOSイメージセンサである。それぞれに長所、短所があり、マシンビジョンエンジニアは用途に応じて選択して使っている。ここでは、カメラのもっている性能を正しく理解することを目的に、各イメージセンサの動作と特徴をマシンビジョンカメラに特化して解説する。

1. CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサとは

CCDイメージセンサ(写真1)は、フォト・ダイオード、CCD転送部、出力アンプで構成され、光電変換、電荷の蓄積、電荷の転送、電気信号の出力という動作をする。つまり、Si(シリコン)などの半導体は光を受けると、その量に比例して受けた光を電荷に変換する。光を電荷に変換する「光電変換」と、その電荷をためる「電荷の蓄積」をフォト・ダイオードが行い、電荷を送る「電荷の転送」は垂直CCDと水平CCDで行う。こうして集められた電荷は電気信号として出力される1)


写真1 CCDイメージセンサ

1.1 光電変換
撮像面に光が当たると、光の強さに応じて電荷(電子)が発生する。固体の中に存在する電子は光からのエネルギーを受け取り、固体に電圧を加えることによってその電子は自由に動きだす。

1.2 電荷の蓄積
この電子はフォト・ダイオードの中で形成されたMOSキャパシタに蓄積される。

1.3 電荷の転送
複数のMOSキャパシタの電極に異なった位相のパルス電圧を加え、電極の並びにしたがってパルスの位相を制御すると、キャパシタに形成されている電位の井戸は並びにしたがって移動する。つまり、MOSキャパシタに蓄積した電子は転送される。この機能がCCDにおける電荷の転送であり、CCDイメージセンサと言われるゆえんである。2次元イメージセンサでは、垂直CCDと水平CCDで転送され撮影画像が形成される。

1.4 電気信号の出力
水平CCDにより転送された電気信号は、出力アンプで増幅され、映像信号として取り出される。

2. CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサとは

CMOSイメージセンサ(写真2)は、フォト・ダイオード、画素信号アンプ、画素選択用MOSトランジスタで構成されていて、画素から信号を取り出す方式がCCDイメージセンサと異なる。


写真 2 CMOSイメージセンサ

つまり、フォト・ダイオードで光電変換された電子は各画素に設けられたアンプにより増幅され、垂直・水平走査回路にて画素選択されて1画素ずつ信号として出力される。 各画素は電気的に独立し、配線によって接続されており、画素配列に関係なく必要なエリアをスイッチで選択できる(図1)。 


図1 イメージセンサ

また、CMOSイメージセンサはCMOS LSIの製造プロセスで作られるため、同一チップ上にA/Dコンバータ、カメラ信号処理、タイミング発生回路、画像処理回路などを組み込むことができ、高機能をもった小型ワンチップカメラ(または、2次元センサ)などを作ることができる。

3.イメージセンサの動作

3.1 CCDイメージセンサの動作
CCDイメージセンサで最も多く使われており、マシンビジョンカメラでも採用されているインターライン転送方式について説明する。 この方式は、フォト・ダイオードで光電変換と蓄積をし、遮光された垂直CCDで転送を行う方式である。つまり、フォト・ダイオードで一定期間の光電変換と蓄積が行われた電荷はすべての画素が垂直ブランキング期間に垂直CCDへ読出され転送される。 垂直CCDへ読み出された電荷は、水平ブランキング期間に1ライン分が水平CCDに転送される。 水平CCDへ転送された1ライン分の電荷は、1画素ずつ出力アンプで増幅され出力される。そして、1ライン分が水平CCDに転送されると同時に、フォト・ダイオードでは次の画像の光電変換が行われている 1)図2)。 


図 2 インターライン転送

こうして、転送された信号を画像として取り出すために、走査という方法が行われる。飛び越し走査にフレーム読出しとフィールド読出しがあり、順次走査に全画素読出しがある。全画素読出しはプログレッシブ走査といわれる。すべての画素を1ラインずつ全ライン順次読み出す方式で、マシンビジョンカメラはこの方式が取られている 2) 。 全画素読出し方式では、水平CCDの転送周波数を高くする必要があり、そのため水平CCDを2本設け、転送劣化を防いでいる(図3)。 


図 3 プログレッシブ走査

また、5M CCDイメージセンサのように高画素のイメージセンサでは、撮像領域を2つに分け、各々に水平CCDを設け出力している。これは2線読出しと言いフレームレートが2倍にあがり、5Mであっても15フレーム/秒得られている(図4)。


図 4 2線読出し

3.2 CMOSイメージセンサの動作

CMOSイメージセンサは、CCDイメージセンサのような転送回路はない。各フォト・ダイオードで光電変換された電荷はアンプで増幅され、垂直走査回路と水平走査回路により、第1ラインの第1個目の画素から順次シリーズにスイッチONして行く。最後の画素に達するとまた、最初の1ライン目、第1画素へ戻る動作をして1枚の画像を作り出す。 また、垂直・水平走査回路にて画像の中の必要なエリア画素のみを選択し、画像として不要な画素をジャンプすれば、1フレームの出画時間を短縮できる大きな利点がある(パーシャルスキャン)。 CMOSイメージセンサは高速スキャンが可能で、4M(400万画素)CMOSカメラでは、フルスキャンで最大340フレーム/秒を達成している。 CMOSラインセンサでは、1ラインのフォト・ダイオード列と水平走査回路のみと考えればよい。 CMOSラインセンサは8K(8,000画素)、16K(16,000画素)などの高画素のものが作られている。走査時間を早くするために画素列を8分割し、一斉に並列走査することで1走査時間35kHzを達成している(写真3)(図5)。


写真 3 CMOSラインスキャンイメージセンサ


図 5 高画素・高速CMOSイメージセンサ

4. 各イメージセンサの長所・短所 3 )

CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサを比較しながら、各々長所と短所をあげる。

• スミア
CCDは電荷をそのまま転送するのでスミアの影響を受けやすい。CMOSはアンプで増幅された画素出力のため信号伝達経路でのノイズは少ない。つまり、スミアに関してはCMOSが有利である。

• 感度 
CCDの方が高い。CMOSは信号を取り出す回路のノイズが大きく、低感度である。しかし、最近ではCCDの構造を取り入れ低ノイズ高感度化が進んでいる。

• ダイナミックレンジ
CCDは取り扱い電荷量が少ないので上限が制限される。CMOSはノイズレベルが大きいので下限が制限されるが、一般にはCMOSの方がダイナミックレンジは大きい。

• 電源
CCDでは複数の電源が必要なのに対し、CMOSは1個の電源で動作し消費電力も少なくてよいため、CMOSの方が有利である。

• グローバルシャッタ
CCDは1ライン同一蓄積、同一転送を行うため画素間による出力時間のずれは起きないが、CMOSは走査時間のずれが画素出力に現れるので、出力画像にひずみができる。

• 高速度撮影
CMOSの方が、高速スキャンができる。部分走査(パーシャルスキャン)も画素単位ででき、高速読出しが可能である。

• オンチップ信号処理
CMOSは同一チップ上にADコンバータなどの回路を組み込むことができるため、圧倒的に有利である。

• 画素寸法
CMOSは各画素にアンプなどの回路を含むため、CCDに比べて小さくできない。

5. イメージセンサの今後の展開

マシンビジョンに関していえば、高画素、高速読出しが望まれている。広視野における高速部分読出しや、少数ラインの走査による高速読出しなどの使い方が行われている。このような機能はCMOSイメージセンサが得意とするところであるが、今のところ12M(1,200万画素)カメラのような高画素CMOSイメージセンサでは、画質のよいイメージセンサを安定して製造することが困難なようである。しかしながら、CMOSイメージセンサは技術の進歩が盛んであり年々短所が解消されているため、今後の技術の進歩に期待したいところだ。また、CMOSイメージセンサのグローバルシャッタ機能の高性能化も待たれるところである。

参考文献
1) 米本 CCD/CMOSイメージ・センサの基礎と応用 CQ出版社 pp35-67、70-72
2) ソニー CCDデータブック
3) 越智 イメージセンサのすべて 工業調査会 2008.10.14第1刷 pp21-23

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