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第82回 CCD or CMOS? −撮像素子の特長−

 デジタルスチルカメラやムービーカムコーダーの普及によって、それらが「撮像素子(もしくはイメージ・センサ)」として使っている「CCD」は、すっかりポピュラーな言葉になっています。
 最近では携帯電話の内蔵カメラでも、従来の主流だった「CMOS」に代えてCCDを採用するものが増えてきています。面白いのは、逆に高級一眼レフデジカメなどでCMOSを採用する例が目につき始めていることです。
 今回は、代表的な撮像素子であるCCDとCMOSの構造、それぞれの特徴などについて簡単に解説してみましょう。

「像」を撮るしくみ
 私たち人間は、眼球に飛び込んでくる光を水晶体と虹彩を通じて網膜に「像」として映し出し、その刺激を視神経を通じて脳に伝達するというプロセスによって、視覚情報を得ています。ここで水晶体をレンズ、虹彩を絞り、そして網膜を銀塩フィルムに置き換えたものがアナログカメラの基本構造です。
 デジタル映像機器における撮像素子は、眼球における網膜、アナログカメラにおけるフィルムの役割を置き換える半導体で、具体的には「光をセンシングし、信号に変換する素子」ということになります。

CCDの登場
 固体素子の形で撮像素子が登場したのは1960年代です。トランジスタやICなどに使われる半導体が、光電効果(光を受けることで電子が活発化する性質)を持つことがわかってきたのがきっかけとなって、「フォトトランジスタ」「フォトダイオード」などが考案されました。
 それらの開発競争の中で登場したのが、光を電荷に、そして信号に換えて転送する機能を持つCCD(Charge Coupled Devices 電荷結合素子)です。最初のCCDは1969年、アメリカのAT&Tベル研究所で開発されました。さまざまな用途が想定される中、その特性から撮像素子への応用に向けて研究・開発が重ねられ、1982年にビデオカメラ用撮像素子として製品化されます。

 CCDを構成する要素は「集光レンズ」「カラーフィルタ」「受光素子=フォトダイオード」「転送回路」に大別できます。ちなみに、デジカメなどの性能指標として用いられる「画素数」は、このフォトダイオードの数を指しています。
 CCDに当たった光は、集光レンズによって特定の大きさに区切られながら、カラーフィルタを通じてフォトダイオードへ導かれます。フォトダイオードは光の強弱しか感知できず、階調表現や色調表現ができないため、カラーフィルタによって特定の範囲の波長だけを通し、その輝度情報を色データに変換しているのです。
 カラーフィルタとフォトダイオードの構成にはいくつかの種類があります。ポピュラーなのは1枚のフィルタで光の三原色であるRed、Green、Blueを処理する「単板式」などと呼ばれるものです。1回のシャッターで結像できることから、デジタルカメラの多くがこのタイプを採用しています。また、受光部分は1個ながら、R、G、Bそれぞれ1枚ずつのフィルタを備えているのが「3CCD」と呼ばれるタイプです。ほかには、スキャナなどで用いられる「ラインCCD」などがあります。

光を電気信号に変換するしくみ

 光を受けたフォトダイオードは、その強弱に応じて電荷を生じます。しかし、それぞれの電荷はあまりに小さいため、そのままでは画像処理を行なうことが困難です。つまり、画像処理回路までの間にアンプ(増幅装置)を配して信号を増幅してやるわけですが、その過程がバケツリレー式に転送されることがCCDの特徴のひとつです。
 シャッターが閉っている状態では、それぞれのフォトダイオードは電荷が小さい状態を保っています。シャッターが開いて光が当たると、フォトダイオードは当たった光の強さに応じた電荷を発生し、蓄積していきます。次にシャッターが閉じると、電荷を蓄積している部分に隣接している部分の電荷を低くすることで、蓄積した電荷を移動させます。このような動作を繰り返すことで、CCDは電荷をアンプまで転送し、増幅して電気信号へと変換していくのです。

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