[基本編] イメージセンサーとは?CMOSイメージセンサーとCCDイメージセンサーの違いについてもわかりやすく解説

イメージセンサーとは

「イメージセンサー」をご存知ですか?

スマートフォンやデジタルカメラなど、私たちの身の回りの多くのモノに搭載されているイメージセンサーですが、そもそもイメージセンサーってなんなの??と思われる方もいらっしゃると思います。

本記事では、イメージセンサーで世界1位のシェアを誇るソニーの特約店として30年以上イメージセンサーを販売してきた我々が、基本からわかりやすく説明させて頂きます!

目次

  1. イメージセンサーとは
  2. イメージセンサーの構造
  3. CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサー
    1. CCDイメージセンサー
    2. CMOSイメージセンサー 
    3. CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサーの比較
  4. イメージセンサーの活用用途
  5. まとめ

イメージセンサーとは

”イメージセンサー”とはなんなのでしょうか?

イメージセンサーとは、カメラのレンズ部分から取り込んだ光を電気信号に変換する半導体のことをさします。光を電気信号に変換することで、デジタルデータ(画像や映像)として再現することが可能になります。ですので、イメージセンサーの性能が写真の画質を決めると言っても過言ではありません。

また、「電子の眼」と例えられることが多く、人間でいう目の網膜のような役割をしているイメージセンサーですが、その仕組みはどうなっているのでしょうか。

次項で見ていきたいと思います。

イメージセンサーの構造

イメージセンサーは、数百万以上といった多数の受光素子の集合体であり、その受光素子は、マイクロレンズ、カラーフィルタ(RGB)、フォトダイオードの3層で形成されています。

マイクロレンズで集めた光は、カラーフィルタを透過することにより、各色毎の波長の光に分離されます。そして、その光をフォトダイオードで電荷に変換・転送することで、電気信号として取り出すことが可能となります。

CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサー

ここまで、イメージセンサーの基本構造について学んできましたが、イメージセンサーにはいくつか種類が存在します。その中でも大きく分けると2種類に分けられると言われており、それが、「CMOSイメージセンサー」と「CCDイメージセンサー」です。

フォトダイオードで生成された電荷をどのように転送するかがこの2つの大きな違いとなります。

CCDイメージセンサー

CCDとは、Charge Coupled Deviceの略で、フォトダイオードで生成された電荷を、隣合った素子に受け渡しバケツリレーのように移動させて、増幅器で最終的に電圧に変換し転送する方式のことをさします。

電荷を一旦集めてから電圧に変換するという点が、CMOSとの大きな違いとなります。

CCDイメージセンサーのしくみ

CMOSイメージセンサー

CMOSとは、Complementary Metal Oxide Semiconductorの略で、フォトダイオードで生成された電荷を各画素ごとに増幅器で電圧に変換し、それらを各画素にあるスイッチのON/OFFで転送する方式のことをさします。 スイッチのON/OFFで必要な電圧だけを取り出すことができるため、電気ノイズの発生を抑えるとともに、転送の速度を速めることができます。

CMOSイメージセンサーのしくみ

CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサーの比較

CCD方式とCMOS方式では、具体的にどのような違いがあるのか見ていきたいと思います。

  CCDイメージセンサー CMOSイメージセンサー
画質 大変良い 良い
消費電力 大きい 小さい
集積化 複雑 容易
処理速度 遅い 早い
価格 高い 安い

画質に優れたCCDは、デジタル一眼レフカメラなどに使用されていましたが、近年の技術の進歩により、CMOSの画質もCCDに匹敵するほどになり、現在ではほとんどのアプリケーションにCMOSが搭載されています。

イメージセンサーの活用用途

電子の眼として機能するイメージセンサーですが、実際にどのようなモノに搭載され、どれほど私たちの身近に存在するのかみていきたいと思います。

①スマートフォン(携帯電話)/ デジタルカメラ

近年のSNSの普及により、高画質なカメラ機能をもったスマートフォンも開発されています。皆さんがスマホで綺麗な写真を撮れるのも、イメージセンサーの数や性能が関係しています。

また、一眼レフやミラーレスなど高画質な映像を撮影できるデジタルカメラですが、これらにももちろんイメージセンサーが搭載されています。スマートフォンに比べて大きいデジタルカメラでは、スマートフォンに使用するイメージセンサーよりもサイズの大きいイメージセンサーを搭載することが可能であり、これにより高画質な撮影を実現しています。

②監視カメラ

昔からイメージセンサーが使われているものとしては、監視カメラがあります。 監視カメラは365日24時間撮影しなければならないため、夜などの暗いシーンにおいてイメージセンサーの性能が大変重要になってきます。

ナイトビジョンカメラなどで赤外線を照射し、その反射した光をイメージセンサーによって映像化することで暗闇の中でもはっきりと撮影することを可能にしています。

③自動車

あまりイメージがないかもしれませんが、自動車にもイメージセンサーは搭載されています。特に、これからの自動運転に向けては非常に注目されており、イメージセンサーの性能が自動運転の性能を作用するといっても過言ではないくらい重要なポジションを担っています。

④工場(FA機器)

イメージセンサーの活用に盛り上がりを見せているのが、工場(FA機器)向けの製品です。昨今の人手不足問題や、画像処理技術、AI技術の発達により日本では工場の自動化、省人化が進んでいます。

レスターエレクトロニクスでも、SWIRイメージセンサーを搭載したカメラを用いたソリューション、異物検知システムをお客様にご提案しています。デモも実施していますので、ご興味ある方はこちらよりご確認ください。

まとめ

みなさん、イメージセンサーについて理解は深まったでしょうか?

今回は基本編としてイメージセンサーの紹介をしましたが、イメージセンサーも年々技術が進歩しており様々な特徴をもったものがでてきています。

レスターエレクトロニクスでは、ソニー製のイメージセンサーをはじめ、それらイメージセンサーを搭載した様々なカメラも取り扱っています。
是非、お気軽にお問い合わせください。


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