イメージセンサ



## 第1節：撮像の基本原理

### 1-1. 撮像とは何か

* 撮像とは、被写体からの光を電気信号（映像信号）に変換するプロセス。
* 人間の視覚に対応するしくみとして、レンズと網膜（=イメージセンサ）による像の結像と信号処理が基礎。

### 1-2. 光電変換（Photoelectric Conversion）

* 光が受光素子に当たると、光電効果により電子が発生。
* この電子の量は光の強さに比例し、信号電荷として蓄積または直接出力。

### 1-3. 信号の取り出し（Readout Mechanism）

* 撮像面は画素単位に分割され、各画素で発生した電荷を読み取る必要がある。
* 全画素に専用の配線を行うのは非現実的であるため、走査（スキャン）による信号出力が必要。

### 1-4. 映像信号と走査（Scanning）

* テレビジョンの例では、画面を横方向に細かく分割して順に信号を読み取る。
* NTSC方式：525本の走査線、毎秒60フィールド、6MHzの帯域で伝送。

## 第2節：イメージセンサの基本要素

### 2-1. 光電変換素子の種類

* **撮像管**：a-SeやSb2S3を用いた真空管方式。電子ビームで走査。
* **CCD**（Charge Coupled Device）：電荷を移動させて読み取る。
* **CMOS**（Complementary MOS）：各画素に増幅機能を持ち、XYアドレスにより走査。

### 2-2. 走査方式の分類

* 撮像管：電子ビーム走査（磁場制御）
* CCD：電荷転送により直列信号化
* CMOS：XYアドレスで個々の画素を選択読み出し

### 2-3. 受動型と能動型

* **受動型**：画素に増幅回路を持たず、外部回路で信号処理（例：CCD）
* **能動型**：画素内部にアンプを持ち、信号を増幅して出力（例：CMOS）

## 第3節：光電変換材料

### 3-1. 主要材料

* a-Se（アモルファスセレン）
* Sb2S3（三硫化アンチモン）
* Si（単結晶シリコン）
* a-Si（アモルファスSi）
* CdS（光導電セル）など

### 3-2. 材料選定の観点

* 光の波長域（可視光〜赤外線）への感度
* 量子効率（1光子→1電子の変換効率）
* 製造技術との整合性（LSIプロセスへの適合）

## 第4節：CMOSイメージセンサの基本原理とCCDとの比較

### 4-1. CCDとの共通点と違い

* **共通点**：光電変換、信号電荷の蓄積、電荷検出の原理
* **違い**：CCDは電荷をそのまま転送、CMOSは画素内で電圧に変換し読み出し

### 4-2. CMOSの構造と読み出し方式

* フォトダイオード → フローティングディフュージョン → 増幅MOS → 列信号線へ出力
* XYアドレスにより読み出し画素を選択（ランダムアクセス可能）

### 4-3. 製造プロセスと電源構成

* CCD：専用プロセス、N型基板、多層ゲート、複数電圧系
* CMOS：標準CMOSプロセス、P型基板、STI絶縁、低電圧化に適応

### 4-4. システム・オン・チップ（SoC）構成

* CMOSは同一チップに信号処理回路・画像処理回路を集積可能
* カメラ信号処理、A/D変換、メモリ、インターフェースの統合が可能

### 4-5. 撮像特性：蓄積の同時性とローリングシャッタ

* **CCD**：全画素一斉に蓄積（グローバルシャッタ）
* **CMOS**：行ごとに蓄積タイミングが異なる（ローリングシャッタ）
* 動体撮影時の歪みなどに影響


以下に、CMOSイメージセンサの基本原理とCCDイメージセンサとの比較を中心に、**原理・特徴・構造・製造プロセスの違い**を詳解します。

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## CMOSイメージセンサの基本原理とCCDとの比較

### 1. 撮像原理における共通点と違い

#### 共通点（基本原理）

* 両者とも**フォトダイオードで光電変換**を行い、光を電子信号（信号電荷）に変える。
* 変換された信号電荷は、**電圧信号に変換**されて読み出される。

#### 相違点（信号の読み出し方式）

| 項目        | CCDイメージセンサ                     | CMOSイメージセンサ                                         |
| --------- | ------------------------------ | --------------------------------------------------- |
| 信号読み出し方式  | 信号電荷を**順次転送**しながら1箇所の出力回路で読み出す | 各画素に\*\*個別の増幅器（MOS）\*\*があり、信号を電圧に変換後XYアドレス方式で選択読み出し |
| ノイズ特性     | 転送距離が長く、**ノイズに弱い**             | 画素内で信号を電圧化し、**ノイズに強い**                              |
| 読み出し順の柔軟性 | 一方向にしか転送できない                   | **任意画素選択可**（ランダムアクセス）                               |

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### 2. 構造比較（図解付き）

#### 図4-2：構成図による比較

* CCD：フォトダイオード → 垂直CCD → 水平CCD → FDアンプ（出力）
* CMOS：フォトダイオード → フローティングディフュージョン（FD）→ 増幅用MOSトランジスタ → 列信号線

#### 図4-3：画素構造の比較

| 項目        | CCD             | CMOS                |
| --------- | --------------- | ------------------- |
| 読み出し      | 垂直・水平CCDで**転送** | **画素内MOSで増幅**       |
| 増幅素子      | 出力部に1個          | 各画素に**1セットのトランジスタ** |
| FD（電荷検出部） | 出力部のみ           | 各画素に存在              |
| 配線        | シンプル            | 信号線が複雑になる傾向         |

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### 3. 製造プロセスと回路統合の違い

#### 製造プロセス（表4-1）

| 項目     | CCD           | CMOS                              |
| ------ | ------------- | --------------------------------- |
| 基板     | N型基板 + 深いPウェル | P型基板 + 浅いN/Pウェル（一般CMOS）           |
| 分離方法   | PN接合          | **STI（Shallow Trench Isolation）** |
| ゲート酸化膜 | 厚い（50〜100nm）  | 薄い（10nm以下）                        |
| 配線層    | 1〜2層          | **3層以上**が主流                       |
| 遮光膜    | AlやW          | AlやCu（標準材料）                       |

#### SoC（System-on-Chip）化の可否

* **CCD**：製造プロセスが特殊で、他回路との統合が難しい
* **CMOS**：標準CMOS LSI技術で製造可能。A/D変換回路や画像処理回路、レジスタ、I/O、タイミング制御回路などと\*\*同一チップ化（SoC）\*\*が可能。

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### 4. CMOSイメージセンサの今後の優位性と展望

| 項目    | 特徴                         |
| ----- | -------------------------- |
| ノイズ耐性 | 画素内で信号を電圧変換することで**高ノイズ耐性** |
| 電力消費  | **低消費電力**、バッテリ駆動のデバイスに適応   |
| 速度    | 並列読み出しが可能で**高速読み出し**が実現    |
| 集積化   | CMOS技術の進展により**SoC統合**が容易   |
| 製造コスト | CCDに比べ**量産性が高く低コスト**       |

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### まとめ：CCDとCMOSの位置づけ

| 観点    | CCD              | CMOS               |
| ----- | ---------------- | ------------------ |
| 発展期   | 撮像管からの移行期〜デジカメ初期 | スマートフォン・IoT普及期以降   |
| 主な用途  | 天文観測、放送用カメラなど    | 携帯端末、車載カメラ、監視カメラなど |
| 現在の主流 | 徐々に縮小            | **完全に主流化**         |

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