レベルアップ・シリーズ

CCD/CMOS

イメージセンサの性能と測定評価
性能の本質を正しく理解し測定評価する手段を学ぶ

米本 和也 著

Performance andCharacterization of見本Image Sensors
このPDFは，CQ出版社発売の書籍「CCD/CMOSイメージセンサの性能と測定評価」の一部見本です．
内容・購入方法については，下記のWebサイトをご覧ください．
内容：https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/45/45401.html

第1CCD/CMOS イメージセンサの性能と測定評価

章

性能とその評価の詳細を学ぶ前に性能の示す本質とその測定評価の基準について

本書はイメージセンサの性能とその測定評価に焦点を当てて，普遍的な技術として理解を深めていただくことに重きを置きました．そのために本論に入る前に，イメージセンサがどのような物理量を分解し，どれだけ細かく信号として出力するのかという分解能，それらを性能として位置付けたときにそれを評価する意味，および性能を表す数値の基準についてあらかじめ知っておくべきことを本章に記載しました．
なお，本書を十分に理解し活用していただくに当たり，イメージセンサの動作原理の詳細を参照してもらうことになりますが，CQ 出版社 レベルアップ・シリーズの「改訂 CCD/CMOS イメージセンサの基礎と応用」などの参考書を利用されることをおすすめします．

■ 1－1

性能をくくる 4 つの分解能

イメージセンサは，目に映る風景や人物などという被写体を電気信号に置き換える，いわゆる「電子の目」です．その動作を一般的に撮像すると表現しますが，このイメージセンサが撮像する被写体の何を分解して電気信号の情報に置き換えるのでしょうか．これを整理したものが図 1－1 になります．
この図が示すように，明暗，空間，時間および波長という 4 つの情報をイメージセンサは分解して電気信号に置き換えると捉えることができます．大局的に見れば，一般的なカメラとか科学技術計測，天文用など，目的に応じて 4 つの分解能がどれだけ高いかが性能そのものであるとも言えます．

1-1

見本

性能をくくる 4 つの分解能

7第2CCD/CMOS イメージセンサの性能と測定評価

章

変換効率
表に出ない性能かつ測定評価の入り口

イメージセンサの性能で特に重要な項目が，感度，飽和電子数 注 1，ノイズです．
それらを本書では 3 大性能としていますが，イメージセンサの場合，多くの項目でその性能に電子数［e］を単位として使います注 1a．一方でイメージセンサから出てくる信号はアナログ出力なら電圧で，ディジタル出力ならディジタル値であるため，出力の信号から性能に結びつけるにはその係数が必要になります．
その橋渡しをする係数が変換効率であり，「1 個の電子が何μV に置き換わるか」「1個の電子が何 DN に置き換わるか」注 1b を意味する数値として定義されます．従って，イメージセンサの性能を一通り測定し評価するには，最初に変換効率の測定から入ることになります．

■ 2－1

変換効率の詳細

イメージセンサは V，DN のような単位で表される信号が出てきますが，多くの性能項目に使われる電子数［e］という単位ではありません．このため，信号出力を電子数に置き換える変換効率が測定評価する上での大切な基礎になります．おもてに出る性能項目の 1 つには含まれないこの変換効率は，冒頭に示した定義から分
注 1：一般的には飽和信号量と言われ，また信号を電子ではなく正孔を扱うイメージセンサを考慮すると飽和電荷量とするべきだが，主に電子数という単位が使われる関係で，ここからは主に飽和電子数を使用する．
注 1a：単 位 e は SI 単位系に属さないが，イメージセンサでは慣例的に電子の数を表す単位として使われ，e－とも書く．
注 1b：ディジタル値の単位に［LSB］（Least Significant Bit）が使われる場合もあるが，本書では［DN］（DigitalNumber）を用いる．

2-1

見本

変換効率の詳細13

第3CCD/CMOS イメージセンサの性能と測定評価

章

感度
感度がどのように表現されるのか多面的に理解する

イメージセンサの 3 大性能の最初に来るのが感度です．これは被写体や撮像面の光の強さなど，ある条件下で，イメージセンサから出てくる信号の大きさを言います．
感度を別の角度から平たく表現するとしたら，どれだけ暗いところまで写せるかの基準とも言えるでしょう．
しかし，感度という性能は意外にも表現が難しく，1 つの数値で表す標準的に使われている基準は，さまざまな撮像条件における感度性能を包括的に表すことが困難であるという側面も持っています．従って，ここから解説する感度という性能とその測定，評価について，感度性能の標準的な基準もさることながら，さまざまな条件下で何が起こっているかが分かるように解説していきます．

■ 3－1

感度はどこでどのように決まるか

感度という性能は，カメラ全体で見るのか，それともイメージセンサだけで決まる部分に限定するのかで表現が変わってきます．ここでは，イメージセンサの性能そのものに注目していきます．
◆ 3－1－1

量子効率

最も明確な感度の表現は「量子効率」になります．図 3－1 に示すように，量子効率とは撮像面に入ってきた光の強さ，つまりフォトンの数に対するイメージセンサの信号に寄与する電子数の割合になります．この図の例では，フォトンが画素に100 個入射した結果，信号に寄与する電子が 50 個発生するなら量子効率が 0.5 また

3-1

見本

感度はどこでどのように決まるか

31第4CCD/CMOS イメージセンサの性能と測定評価

章

飽和電子数
ダイナミック・レンジを決定づける飽和電子数のメカニズムと性質を学ぶ

イメージセンサの 3 大性能の 2 番目に来るのが飽和電子数です．これをひと言で表すと，フォトダイオードに蓄積できる最大の電子数であり，蓄積時間を延ばしたり光を強くしたりしても，蓄積される電子数が直線的に増加せず飽和している状態にあります．
この飽和電子数は，感度が光学的な条件に敏感に変化するのと違って，フォトダイオードの電気的特性や駆動条件にも大きく依存します．ここでは飽和電子数の定まる仕組みをはじめ，正しい定義と条件，ダイナミック・レンジや ISO 感度との関係，その測定方法を学ぶことにします．

■ 4－1

飽和電子数はどこでどのように決まるのか

イメージセンサを扱うにあたって，飽和電子数に相当する値を目にすることができるのは，イメージセンサから出力される信号電圧やディジタル値の飽和信号量です．しかし，これも後の節で学ぶノイズと密接に関係するため，それらを変換効率を用いて置き換えた飽和電子数にして，初めてその本質が見えてきます．では，飽和電子数を理解するために，CCD と CMOS イメージセンサの両方について，どのようなメカニズムで決まるのかを解説します．
◆ 4－1－1

CCD イメージセンサの飽和電子数

まず，CCD イメージセンサについて，図 4－1 に飽和電子数が決まる様子を画素の断面構造とその主要な部分の電位分布で示します．

4-1

見本

飽和電子数はどこでどのように決まるのか

63

第5

CCD/CMOS イメージセンサの性能と測定評価

章

ノイズ
ノイズの多様性，大小関係，視覚的印象から振る舞いを解き明かす

イメージセンサも，自然界における揺らぎに象徴されるノイズの影響を受け，得られる画像の品質がこのノイズの大小によって左右されることは言うまでもありません．
われわれが目にする画像や映像は，カメラの信号をディスプレイに映し出したものです．このカメラ信号に乗るノイズは，カメラ・レンズ，イメージセンサ，信号処理に渡って発生，または増幅 / 混合されたもので，発生源や原因が難解です．
この章ではノイズを細かく分類し，それらの挙動を明確にし，画像への影響の度合いから測定方法までを解説します．

■ 5－1

分類と大小関係◆ 5－1－1

分類

イメージセンサのノイズには，性質や見え方の異なるさまざまなノイズがあります．それらのノイズを解説する前に，必ず押さえておかなければならないノイズをまとめてみましょう．表 5－1 は，大きな分類として固定パターン・ノイズ（FixedPattern Noise：FPN）とランダム・ノイズがあり，それぞれ多種多様なノイズがあることを示しています．
固定パターン・ノイズ（以降，FPN）は，常に画像の同じ位置に発生するノイズの総称であり，暗電流 FPN や感度ムラ（Photo Response Non-Uniformity：PRNU）に代表されます．一方でランダム・ノイズは，画像の不特定位置に信号の揺らぎとして現れ，光ショット・ノイズや回路素子で発生するダーク・ランダム・ノイズなどがあります．各種ノイズの発生する場所も，フォトダイオード，回路素子や回路，

5-1

見本

分類と大小関係91第6CCD/CMOS イメージセンサの性能と測定評価

章

さまざまな性能項目
3 大性能以外の数ある性能項目もイメージセンサの品質を支配している

前章までのイメージセンサの 3 大性能でさえ，各種項目に分類され，数多くあるわけですが，それ以外の性能項目もたくさんあります．この章ではさまざまな性能項目と題して，3 大性能以外の詳細を解説します．なお，3 大性能項目の中でも温度とバイアス電圧という動作条件で大きく変化するものも，その性質を扱うこととします．

■ 6－1

分光感度特性すでに 3 大性能の中で感度を支配する分光量子効率に関して解説しましたが，この分光量子効率が，ここで言う分光感度特性と同一です．しかし，あえてここで「分光感度特性」という表題にしたのは，分光量子効率が，どちらかと言えば感度に直結した意味合いが強いのに対して，分光感度特性は感度はもちろんのこと色再現性に関する性質を含めた意味合いがあるからです．ただし，分光感度特性は曲線のピークで正規化した相対値を扱うことがほとんどであるのに対して，分光量子効率は量子効率という絶対値を扱います．以下の解説では分光感度特性を分光量子効率に置き換えます．
◆ 6－1－1

色再現

分光量子効率が色再現にどのように関係しているかを考察する前に，カメラ信号処理のおおよその構成を押さえておきます．ディジタル・カメラに多く使われる，Bayer 配列原色カラー・フィルタによるカメラ信号処理を例とします（図 6－1）
．こ6-1

見本
分光感度特性175

A ppendix

知っておきたいことイメージセンサの性能を本質的に理解する上で欠かせない基礎知識■ 1.

光の強さに関すること

光の強さを測る視点は複数あり，その違いで強さの基準が変わります．そのため，イメージセンサの，特に感度を正しく理解するためだけでも，光関係の書籍を複数参照しなければなりません．
ここでは，性能を正しく理解するための光の強さについて，イメージセンサに必要なところだけを抜き出して手短に解説します．
◆ 1－1

放射量と測光量

光の強さを表す基準に放射量と測光量の 2 つがあることを知っておく必要があります（1）．まず，放射量とは，単位時間あたりのエネルギー，つまりパワーを基本単位とする純粋な物理量を基準とするものです．
（2）
もう 1 つの測光量とは，図 A－1（ データは表 A－1）に示す標準比視感度特性（1）に基づいた，人間の目の持つ感度の波長依存性を考慮した心理物理量，または評価量と呼ばれる量を基準とします．このような光の強さを表す基準に関して，本書に深く関係する部分を簡単に表 A－2 にまとめました．
この中でも，イメージセンサの性能を表現または計算するのに使われる基準は，放射量で言えば放射輝度，放射照度，測光量なら輝度，照度になります．
測光量が純粋な物理量を基準とした放射量とどのような関係にあるのか，どのように導かれるかを，照度I を例に式（A－1）で示します．
式（）     228

Appendix

知っておきたいこと

式（A－1）

見本