固体撮像素子

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CCDイメージセンサの例

固体撮像素子(こたいさつぞうそし、英語: solid state image sensor)は、半導体製造技術を用いて集積回路化された光電変換素子、すなわち半導体のイメージセンサである[1]。材料や素子、電荷の転送方式など撮像素子の構成による分類と、走査方式や用途など、応用方法による分類ができる。

構成による分類[編集]

現在、固体撮像素子の主流は電荷結合素子(CCD)と相補性金属酸化膜半導体(CMOS)である。いずれもを検出して電荷を発生させるフォトダイオードを光電変換素子に使用するが、変換された電荷の転送方式が異なる[2]。CCDイメージセンサでは水平CCDと垂直CCDを使って電荷を出力部に転送してから増幅するのに対して、CMOSイメージセンサではフォトダイオードごとに変換された電荷を増幅して出力する。両者の主な特徴をまとめると次のようになる[3][4]

表1 CCD/CMOSイメージセンサの特徴
CCD CMOS
ノイズ 増幅用のアンプがひとつのため少ない 各フォトダイオードで増幅するため多い
電源 高駆動電圧が必要。必要電力も高め 低電圧駆動が可能
製造 専用プロセス要 標準CMOSプロセスで対応可
その他 システムオンチップ化が可能

有機光電変換膜[編集]

放送用テレビカメラでは撮像時の色分解にダイクロイックプリズムが使用されるが、この方法は小型化が困難なため、一般向けのビデオカメラやデジタルカメラの撮像素子ではバイヤーフィルターのようにモザイク状のカラーフィルタを配置する方法が採られている。ただし、この方式では光の利用効率が悪く、画質の面でも劣るため、これを改善する手立てとして有機光電変換膜(organic photoelectric conversion layer、OPC layer)を撮像素子に利用する方法が研究されてきた。RGB各色に反応する有機膜を3層に重ねて使用するが、対象とする色以外の光は透過するため、光の変換効率が良い。この方式の実用化には、量子効率のさらなる向上や製造上の課題が残っている[5][3][6]

走査方式による分類[編集]

ラインセンサーの例

イメージセンサは画像の走査(読み取り)方式によってリニアイメージセンサ(一次元イメージセンサ、ラインイメージセンサ)と、エリアイメージセンサ(二次元イメージセンサ)に分類できる。前者が用いられている例にはファクシミリ複写機イメージスキャナなどがあり、後者の例としてはビデオカメラデジタルスチルカメラなどがある[7]

リニアイメージセンサは撮像素子一列に配置したもので、広がりをもつ領域を撮像するには、対象物(文書など)をセンサ列と直角方向に走査(スキャン)する必要がある。対象物を移動させながらライン単位で撮影することで、一方向からでは全体を捕えられない立体物を撮影する(たとえば、円筒状の対象を回転させながら撮影)などの応用が可能である。また、エリアイメージセンサよりも高分解能を持つという特徴を生かし、ファックスなどの民生機器以外に変位センサや医療分野のスキャン装置にも応用されている。対象物自体が任意に動き回る場合の撮影には向かない[8][9]

エリアイメージセンサは、フォトダイオードを二次元に配列したもので、一度に一画面全体のイメージを光電変換することができ、静止画動画などの映像を撮影するのに用いられる。

特殊用途のイメージセンサ[編集]

イメージセンサには、通常の映像用イメージセンサのほかに赤外線の撮像に特化したものもある。赤外線イメージセンサは霧が出ているような天候や闇夜に強いため、防衛分野や監視用カメラに利用されている。

赤外線域に感度があり、狭いバンドギャップを持つフォトトランジスタを使用するタイプの赤外線イメージセンサは高感度で分解能に優れるが、ノイズを減らすために冷却装置を必要とする。この種類の赤外線イメージセンサを量子型、または冷却の必要性から冷却型と呼ぶ。

一方、冷却を必要としない、非冷却型と呼ばれる赤外線イメージセンサも存在する。非冷却型イメージセンサには温度の変化を検出するための焦電素子熱電対ボロメータが使用される。温度の変化を捕えて撮像することから、前述の量子型に対して熱型とも呼ばれる。非冷却型は近年の微細加工技術の進展により実用化された。画質は一般的には冷却型の方が優れている[10]

参考文献[編集]

  1. ^ イメージセンサ”. ウシオ電機株式会社. 2010年8月29日閲覧。
  2. ^ 『CMOSイメージセンサの最新動向: 高性能化,高機能化から応用展開まで』 CMC Publishing Co.,Ltd,、2007年ISBN 97848823167322010年8月30日閲覧。
  3. ^ a b 「固体撮像素子、CMOSの挑戦」 (PDF)”. 米本和也 (ソニー株式会社)、『映像情報インダストリアル』(2000年6月). 2010年8月30日閲覧。
  4. ^ イメージセンサとは”. シャープ株式会社. 2010年8月30日閲覧。
  5. ^ 有機撮像素子”. 日経エレクトロニクス - Tech-On!. 2010年8月30日閲覧。
  6. ^ 「有機光導電膜のイメージセンサへの応用」(<小特集>撮像技術の最新動向)”. 相原 聡 (NHK放送技術研究所放送デバイス). 2010年8月30日閲覧。
  7. ^ 『画像処理応用システム』 東京電機大学出版局、2000年ISBN 978-45013211092010年8月30日閲覧。
  8. ^ 「2. 情報機器と光源の役割―概要―」、『ライトエッジ』10号 1997年6月 (PDF)”. ウシオ電機株式会社. 2010年8月29日閲覧。
  9. ^ ラインセンサカメラとは”. 有限会社イグノス. 2010年8月29日閲覧。
  10. ^ MEMSマテリアルの最新技術”. 江刺正喜、CMC Publishing Co.,Ltd, 2007. 2010年8月30日閲覧。

関連項目[編集]