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テクの雑学

第168回 CMOSでデジタルカメラのトレンドを探る
〜夜景などの暗い場所でも高画質な映像の撮影が可能〜

 デジタルカメラ関連の技術は、その進歩の早さに驚かされることが多いものです。最近のトピックスとしては、「ミラーレス一眼」と「裏面照射型CMOS」の普及があげられるでしょう。今回は、そのうちの裏面照射型CMOSについて取り上げたいと思います。

 デジタル撮影機器を使って「写真」や「動画」のデータを記録する上では、「撮像素子(イメージセンサ)」と呼ばれる半導体が重要な役割を果たしています。レンズに飛び込んできた光を「絞り」を通じて受け取り、「フォトダイオード」と「アンプ」によって電気信号に変換してから、画像処理用半導体へ転送するのが撮像素子の役割です。基本的な仕組みについては以前に解説したので、重複する部分も出てきますが、その点はお含みおきいただければと思います。

参考情報
テクの雑学 第82回 「CCD or CMOS? −撮像素子の特長−」

CCDとCMOSの構造の違い

 さて、ここ3年ほどの間で、撮像素子の主流はCCD(Charge Coupled Devices:電荷結合素子)イメージセンサからCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補性金属酸化膜半導体)イメージセンサに切り替わってきました。「CCD」や「CMOS」は回路の構造を示す用語で、イメージセンサとして用いる場合、どちらも主要な構成要素は同じです。具体的には、光を集める「オンチップ集光レンズ」、受け取った光の特定の波長だけを通すことで色データに変換する「カラーフィルタ」、光の強弱を関知し、強さに応じた電荷を発生(光電変化)させる「フォトダイオード」、フォトダイオードが発生した電荷を増幅する「アンプ(増幅装置)」などで構成されています。また、信号線(伝送路)の配置が水平(行)方向と垂直(列)方向で構成されている点も同じです。
 CCDイメージセンサ(以下CCDと略)とCMOSイメージセンサ(以下CMOSと略)の最大の違いは、フォトダイオードで発生した電荷を増幅して電圧=電気信号に変換する工程です。CCDは、フォトダイオードで発生した電荷を各列同時に「垂直レジスタ」へ移動させた後、順番に送り出しながらアンプで増幅します。このことから、CCDの信号処理は「バケツリレー式」などと呼ばれます。これに対してCMOSは、フォトダイオード1個ごとに用意されたアンプで電荷を増幅してから転送し、さらにアンプで増幅してから画像処理用半導体へ送ります。

CCDとCMOSの特徴
 両者の構造的な特徴は、性能面での一長一短となって現れます。CMOSは、電荷をあらかじめアンプで増幅してから送るため、転送中の信号劣化が小さく、ノイズが乗りにくくなります。また、通常のLSIと同様の製造工程で作れ、アンプや転送用回路など、撮像のために用いるさまざまな仕組みをすべて1個の半導体チップの中に作り込む「システム・オン・チップ」化が可能なことも大きなメリットです。1個のチップで多くの処理が行えるので、半導体の集積度が高まるにつれて処理速度が高速化できますし、消費電力の点でも有利。新たな機能を盛り込むことも容易で、生産設備にも汎用性があるため、コスト面で有利になります。反面、各アンプとスイッチごとの特性のバラツキによる「固定パターンノイズ」や、フォトダイオードが受光を開始/終了するタイミングが個別にバラバラであるために起こる撮像の歪みといった弱点の克服が課題となっていました。  対するCCDは、すべてのフォトダイオードが同じタイミングで受光し、終了するので画像は歪みませんし、電荷を増幅するアンプが一つなので固定パターンノイズも生じません。デメリットとしては、処理速度を高めるために電源を複数用意し、さらに高い電圧での駆動が必要なので、消費電力が大きくなってしまうことがあげられます。また、製造工程が特殊なのでコストも高くなりがちです。

 このような一長一短な性能を持つことから、2005年ごろまでは、デジタルカメラなど画質が優先される機器にはCCD、携帯電話やインターネット電話用ビデオカメラなど、画質よりもサイズやコストが優先される機器にはCMOSが用いられることが一般的だったわけです。

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