イメージセンサーとは？CMOSセンサーとCCDセンサーの違いと、CMOSイメージセンサーについて深掘り解説！
風景、人物、動物といった自然の美しさをあなたの目に焼き付けることは難しいかもしれませんが、イメージセンサーの存在により、私たちは瞬間の美しい風景を写真や映像として残すことができます。
これらの感光素子は、デジタルカメラやスマートフォン、そして医療や科学の分野で使用されています。
しかし、一般の人々にとって、それらの背後にある技術やイメージセンサーについて深く理解することはなかなか難しいかもしれません。
そこで今回、イメージセンサーとは何か、そしてよく聞くCMOSイメージセンサーとCCDイメージセンサーの違いや特性、特にCMOSイメージセンサーについて深く掘り下げて解説していきたいと思います。
この記事を通して、あなたのデジタルカメラやスマートフォンがどのように鮮やかな画像を作り出すことができるのか、イメージセンサーの秘密に触れてみましょう。
目次
イメージセンサーとは
「電子の目」とも称されるイメージセンサーは、デジタルカメラや監視カメラといった日常生活の中で利用される多種多様な製品に組み込まれています。
これは物理的な映像を電気的な信号に変換する装置で、光が蓄光体に当たると電子が発生し、この電子を電気信号として読み取る仕組みとなっています。
イメージセンサーには主に、精緻な画像生成が可能なCCD（Charge Coupled Device）と、省電力かつ低製造コストで広範に利用されるCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）の二つのタイプがあります。
CCDセンサーとCMOSセンサー
CCDイメージセンサーとは
いわゆる「電荷結合素子」の略であるCCD（Charge-Coupled Device）センサは、光を電子に変換しイメージを構築します。
デジタルカメラやビデオカメラなどの撮影装置の中心的な部品で、光を電気信号に変換する機能を持ちます。
センサーが光を受けるとその光量に応じて電荷が生成され、その電荷がピクセルごとにアナログ信号として読み取られ、デジタル信号に変換されます。その結果として生み出されるデジタル信号が、最終的に目に見える画像に変換されるのです。
このCCDセンサーの性能は、画像品質に大きな影響を与えます。
センサーが高感度であればあるほど、鮮明な画像を得ることができます。ただし、製造コストや消費電力の面でCMOSイメージセンサーに比べて高いというデメリットもあります。それでも、色の再現性やノイズの少なさを重視する場合や、高解像度が求められる天体写真や科学技術的な使用目的にはCCDイメージセンサーが適しています。
具体的な利用例としては、デジタルカメラやビデオカメラはもちろんのこと、携帯電話、複写機、ファクシミリ、イメージスキャナー、医療用カメラ、車載カメラなどが挙げられます。
さらに、撮像色についても一枚のセンサーでRGB各色を作り出す単板方式と、RGB別々のセンサーを使用する多板方式の両方が存在します。
CMOSイメージセンサーとは
正式名称、Complementary Metal-Oxide-Semiconductorを直訳すると、「補完性金属酸化物半導体」となりますが、この名称からどのような役割を持つのかは一見わかりにくいかもしれません。
具体的には、CMOSイメージセンサーは、選択したシーンの映像を数字化する仕事をしています。
カメラのレンズを通じて到達する光がセンサーに接触し、電子インフォメーションに変換されるのです。
そしてその情報がデジタルイメージとなり、視覚化され表示されます。
画素ごとにフォトダイオードとCMOSトランジスタが内蔵されており、低電力で動作するという特性を持つCMOSイメージセンサーは、電力消費を抑えながらも高品質な映像を提供します。
適用範囲は非常に広く、デジタルカメラから携帯電話、スマートフォン、Webカメラ、デジタル一眼レフ、小型HDビデオカメラ、車載カメラといった多種多様な製品に利用されています。
それぞれの特徴とメリット・デメリット
CCDセンサーは、そのほど高いイメージクオリティや低ノイズ性能が魅力となっています。ピクセルごとに独立した読み取りを行うことで、極めて鮮やかでコントラストの高い画質を実現しています。そのため、プロフェッショナルマーケットや高品質な写真を求める場面で活躍しています。ただし、消費電力量が多く、製造コストもそれなりにかかるというデメリットもあります。
CMOSセンサーは消費電力が少なく、コストパフォーマンスに優れます。また、同じチップ上に他の回路（A/D変換器やアンプなど）を組み込むことが可能で、その結果としてデバイスの小型化や高速撮影に適した性能を持っています。一方で、それぞれのピクセルが個々のトランジスタによって読み取られてしまうため、ノイズの発生が多いという課題を抱えています。
最近では技術革新により画質も向上し、CCDセンサーに匹敵する性能を示すようになりました。ただし、高感度撮影については若干CCDセンサーに劣るという点は注意が必要です。
最新のトレンドとしては、CMOSセンサーが画質の向上を遂げており、高画質化と低価格化を一体で実現する方向に動いています。
これら各々の特性をきちんと把握し、自身の用途に最も適したカメラを選ぶことが重要となります。
イメージセンサーの主な用途
・スマートフォン： スマートフォンでは、カメラ性能の向上とともにレンズの数が増えてきており、CMOSセンサーの小型化や省電力化が求められる中、その鮮明な画像はスマートフォン使用者の求める機能の一つとなっています。
・セキュリティ分野：人間が終日監視するのが難しい空間を補完するために、監視カメラや防犯カメラは使われます。特に、夜間でも明らかに視認可能な赤外線センサーや、立体的情報を取得する3Dセンサーのような様々なイメージセンサーが利用されています。
・医療分野：診断支援、内視鏡や診断機器に使われており、患者の体内部を視覚化する役割を担い、診断の精度を上げるのに貢献しています。 また、エンドスコープの手術やアイスキャンによる眼科手術などで、イメージセンサーによる精密な距離計測が活用されています。これらは高度な技術が求められるプロセスで、正確な距離情報が不可欠です。
・自動運転技術：最近では自動運転技術の開発の中心的役割を担っており、周辺環境の認識などに、その重要な役割を果たしています。また、車両の安全性を確保するためには画像認識機能が必要となるため、CMOSセンサとAIを組み合わせた使用例が増える事が予想されています。
・地球観測衛星、天体観測機器：微弱な光を捉える能力が優れており、あらゆる場面での視覚情報の収集に貢献しています。
・工業生産ライン：異なるワークの混入ラインの検査、異種混入検査、組み付け検査、2次元コードの読み取り、部品の位置決め等、イメージセンサーは製造業界でも活用されています。
製品の流れる製造ライン上で、優れたイメージセンサーが高精度のデジタルイメージを確実に撮影します。この瞬時に撮影されたイメージは、高度なコンピュータシステムにより詳細に分析され、製品に欠損や異常がないか、あるいは高品質の基準を満たしているかどうかを判断します。 これらの情報を用いて、企業は生産プロセスを即時調整し、不良率を大幅に抑えることが可能となります。
更に、製品の検査結果から効率的な生産プロセスが導き出され、企業の全体的な生産効率の向上にも寄与します。
現代の工業生産ラインは、製品の位置や角度を正確に把握するロボットセンサーや、表面検査や寸法の検証のための光学検査、さらには人間の目では見落としがちな微細な傷まで検出できる波長センサーなど、イメージセンサーの利用方法も更に進化を続けています。
・その他：ドローンによる空撮、ロボットの自律走行、VRなどの新たな技術分野でも使用が広がり、日々の生活をより豊かに、便利にしてくれています。
このようにCMOSイメージセンサーは我々の生活のあらゆる場面で使われており、その利用範囲は拡大し続けています。
CMOSイメージセンサー
ここからはCMOSイメージセンサーについて掘り下げていきたいと思います。
CMOSイメージセンサーの仕組み
相補型金属酸化物半導体、通称CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサーは、撮像装置としてスマートフォンやデジタルカメラに採用されています。
その主な仕事内容は、ピクセルと呼ばれる部分で光を電気信号に転換し、その信号をデジタルデータに変えることで、私たちが見る画像を形成することです。
その際、アンプが組み込まれているため、得られた電気信号はその場で電流増幅が行われます。 ピクセル部分に当たった光は電子を作り出し、それが電気信号になります。
増幅された電気信号は最終的にアナログ-デジタルコンバータ（ADC）によってデジタル信号に変換され、それが我々が認識する画像データとなります。
また、CMOSイメージセンサーのもう一つのメリットは、各ピクセルが個々に動作するため、高感度・高速リードアウト・低ノイズの3つの特性を並行して発揮することができる点です。
そして、最大の特長である低消費電力を活かし、コストパフォーマンスに優れ、各種デバイスに広く使用されています。全ての工程が高速に行われるため、私達の使うデバイスは瞬時に画像化を可能にしているのです。
特徴
CMOSイメージセンサーは、とりわけデジタルカメラやスマートフォン等の映像を扱う様々なデバイスに不可欠な要素となっています。
①エネルギー効率：その一番の魅力は、非常にエネルギー効率が良いことで、高画質な映像を必要とする昨今のデバイスにとって極めて重要です。
これは、センサー自体が映像情報をデジタルデータに変換してしまうことで電力の消費を少なくし、長時間の使用で熱をなるべく発生させないという特性によります。
②高速データ転送：高速なデータ転送を実現するCMOSイメージセンサーは、高速な動きを持つ被写体をブレなく捉えるのに最適です。さらに、内蔵の処理機能によって、画像をセンサー上で処理することで、全体のシステムの反応も飛躍的に向上します。
③低照度下での優れた機能：CMOSイメージセンサーは、低い照度でも鮮明な画像を得られるという特性を持っています。このため、幅広い用途で使用することができます。 その他にも、各画素毎に独立した信号を増幅することが可能なCMOSイメージセンサーは、ノイズに影響されず安定した画質を保ちます。
④安価な製造コスト：既存の半導体装置を流用することで、安価に製造できるというメリットも大きな特徴です。
これらの特性から、CMOSイメージセンサーの利用は今後も増加の一途を辿り、デジタルデバイスの進化に合わせて、私たちの日常に彩りを添え続けることでしょう。
CMOSイメージセンサー開発の歴史
CMOSイメージセンサーはその低コスト性からCCDセンサーに代わり今日では急速にシェア率を広げています。
その起源は遡れば1960年代にあり、フォトダイオードを活用した初期型が誕生しました。しかしながら、技術的な制約から役割は限られていましたが、その風潮が大きく変わるのは1990年代になってからのことで、この時期、テキサスインスツルメンツの研究者エリック・フォッスが一画素ずつにアンプを配するという革新的なアイデアを提示しました。
そこからは進化のスピードが大きく加速し、画質の問題や消費電力の大きさといった大きな障壁にも立ち向かいながら研究開発が進められました。
その結果、現在ではCMOSイメージセンサーは我々の生活の様々な場面で利用されるまでになり、スマートフォンやデジタルカメラ、医療機器などといった分野で活躍しています。
その歩みは技術革新の試行錯誤と努力の歴史であり、先端技術の可能性と挑戦の象徴とも言えます。
開発と問題点
CMOSイメージセンサーの開発は、現代の映像技術分野において欠かせない存在となっています。その高画素化、高速撮影能力、低消費電力等により、様々な領域、例えばスマートフォンから医療機器、自動運転車まで、その利用範囲はますます広がっています。
ただ、一方で開発過程にはいくつかの課題も見受けられます。 その中でも顕著なのはカラーレプリケーションの問題と、ノイズの問題です。
具体的には、CMOSイメージセンサーが特定の色を適確に再現することの難しさと、センサーの高画素化に伴い素子が小さくなることで引き起こされるノイズの問題です。特に後者は暗闇での撮影に影響を及ぼすため、無視できません。
それに加えて、CMOSイメージセンサーの開発コストの増大も考慮しなければなりません。したがって、これらの技術改善とそのコストの調整が今後の開発課題となり得ます。
しかしながら、これらの問題は何も解決不可能なものではありません。開発者たちは障壁に直面するたびに、新たな解決法を見つけ出し導入しています。
例えば、高画素化を実現するためには、回路パターンを細分化し数回に分けて露光するマルチパターニング技術や、SADP法などが提案されています。
また、各画素毎の性能のばらつきに起因するノイズを除去する対策として、ノイズキャンセリングという手法も応用されています。
これは、撮影前に各画素のノイズ分布を観測し記憶しておくことで、撮影後にノイズを適切に補正できる方法です。
これらのイノベーションにより、CMOSイメージセンサーの持つ問題は徐々に解消されつつあり、その発展はこれからも加速していくことでしょう。
現在の市場シェア
CMOSイメージセンサー技術への依存が高まる現代、その市場形成は急速に進行しています。2004年にはすでに出荷台数がCCDを逆転し、その重要性が如実に現れています。
競争力が求められるこの市場で目立つ存在は、大手企業のソニーとサムスンであり、イギリスの市場調査会社OMDIAの調査結果によると、CMOS製品市場ではソニーが約半分、サムスンが約1/4のシェアを有しています。
なぜソニーが市場の半分近くを占めているのか。
その理由は、同社がCMOSセンサーの量産化に先駆けて成功した企業であるという事実にあります。
画素部と信号処理回路部をそれぞれ異なるシリコン基板に形成し、センサの小型化と回路の精密化を両立した技術を開発したのです。
この技術のおかげで、高機能性を持った小型のCMOSセンサーの量産が可能となりました。その結果、各種産業分野から高い依存度を得ています。
一方、サムスンは高画素のCMOSイメージセンサーを開発する技術力を持ち、その点でシェア拡大を図っています。他社との競争を強めつつも、ソニーやサムスンは進化するテクノロジーとともにシェアの拡大を推進し、CMOSイメージセンサー市場の成長を牽引しています。
新しいCMOSイメージセンサー
2層トランジスタ画素積層型CMOSイメージセンサー
ソニーセミコンダクタソリューションズは、近年のデジタルカメラやスマートフォンの画像品質向上に一役買っているCMOSイメージセンサーの進化版、”2層トランジスタ画素積層型CMOSイメージセンサー”を世界で初めて開発しました。
この最新テクノロジーを搭載した新型センサーは従来のCMOSイメージセンサーとは一線を画し、画素に2層のトランジスタを配置。
これにより、画素信号の読み出しとリセットをそれぞれ別々に制御可能になりました。これがもたらす効果は大きく、高速読み出しにより高解像度・高速連写を実現し、動画撮影時の歪みであるジヤー現象も大幅に抑制されるようになりました。
更には信号読み出し時のノイズを減らし、暗い状況下でも鮮明な写真を撮ることが可能になっています。
2層トランジスタ画素積層型CMOSイメージセンサーの登場により、私たちの視覚体験が新たなレベルに引き上げられることが期待されます。
積層型CMOSイメージセンサー
新たなる技術進展がカメラ業界を激変させており、その最先端に立つのが、「新型CMOSイメージセンサー：スタック型CMOSイメージセンサー」です。
CMOSイメージセンサーは、光の明暗を電撃信号に変換し、それをデジタルデータに換えていく装置で、デジタルカメラの「視覚」に等しい存在です。 従来からあるフラットタイプに比べて、スタック型CMOSイメージセンサーは、高密なパッケージング技術により、各層がスムーズに重なります。
この特質から、普通のCMOSセンサーよりも卓越した低ノイズ性能、高解像度、高速な読み出しが可能となり、自然な色表現や美しいボケ効果が実現できます。これらの要素は、プロやアマチュアのシャッターバグからすると、スタック型CMOSイメージセンサーの驚くべき進展と言えるでしょう。
その他にも、電力の効率化や熱生成の低減といったエネルギーセービング性能もスタック型CMOSイメージセンサーの主要な特長で、延長時間の操作でも安全に使用できます。これらの進歩により、スタック型CMOSイメージセンサーは、日々進化するカメラ技術の不可欠な道具となっています。
また、ニコンでもスタック型CMOSイメージセンサーの開発が進んでおり、秒間1000フレーム、HDR特性110 dB、4K×4Kの高解像度撮影が可能な約1784万画素のスタック型CMOSイメージセンサーを実現しています。
裏面照射型CMOSイメージセンサー
新たなCMOSイメージセンサー、裏面照射型が登場しました。
これは、画像をキャプチャする部分、すなわちフォトダイオードがセンサーの裏面、基板の裏側に配置するという革新的な設計を持つ製品です。
光を受けるこの新しい配置により、光の吸収効率が飛躍的に向上し、結果として写真や映像の解像度も大幅に向上します。
過去のセンサー設計では、電子回路が光を均一に集める障害となり、光収集効率が下がるという課題がありました。しかし、この裏面照射型センサーによりそれが解消され、より鮮明で高解像度な画像生成が可能となっています。
この新型センサーは、暗いシチュエーションでの撮影や高速撮影などで真価を発揮します。低ノイズで高感度な特性により、暗闇でも鮮やかな色彩を捉え、夜景や星空の撮影に最適です。
さらに、動きの速い物体でもその高速処理により、鮮明に捉えることが可能になりました。 裏面照射型CMOSイメージセンサーの登場は、カメラ技術の新たな一歩を象徴しています。
密着イメージセンサー
「密着イメージセンサー」は一般的なカメラで捉えきれない微細な表現も可能にしており、イメージセンサーの新たな規範を提示しています。
従来型のCMOSイメージセンサーは、確かにデジタルカメラやスマートフォンの必需品であり、高速化と省電力化に成功してきました。しかし、「密着イメージセンサー」は、そのパフォーマンスの可能性をさらに引き立てるものとなっています。
高解像度を誇りながら、同時に被写体に非常に近い距離で細部まで撮影する能力を持つ点が特筆されます。
この新型センサーの利用シーンは多岐にわたり、医療、科学研究、製品の品質検査、さらにはデジタルアートにまで及びます。
高精細さと高速性を兼ね揃えた視覚情報を得ることが可能であり、観察や表現の領域が驚くべきレベルで拡張されています。
また、「密着イメージセンサー」の採用により、カメラ本体の大型化や重く述患も解消され、取り扱いの手間が大きく削減されます。これにより、より高度で自由な撮影が可能となるため、表現の幅が広がるだけでなく、撮影の利便性も大いに向上するでしょう。
その精確さと有意性で世界から注目を集める新型CMOSイメージセンサー「密着イメージセンサー」。技術進化におけるその期待値は高まりを見せており、その影響力が我々の生活にどのように影響を及ぼすか、その一部始終を見守るのが楽しみです。
イメージセンサの代表的な国内メーカー
ソニー
ソニーの誇る技術の一つ、イメージセンサーの中でも最も親しみのある存在は、スマートフォンのカメラ機能です。
特にソニーのスマートフォン、XPERIAのカメラは世界中で話題を集めています。
そのイメージセンサは、優れた技術力と品質で評価され、市場のトップシェアを独占しています。
更には、一段と高度なCMOSイメージセンサをはじめとする革新的な技術を開発し続けており、その技術は様々な分野で活用されています。
ソニーのイメージセンサは、デジタルカメラからスマートフォン、そして車載キャメラまで幅広い製品に使用され、それぞれの領域でその性能を発揮しています。
その圧倒的な存在感と技術力は日本国内だけでなく、世界にも認められています。
シャープ
多様な分野での進展が求められるイメージセンサ業界において、その最先端を走り続けるのが、常に革新的な開発に取り組む日本のリーディングカンパニー、シャープです。
かつてはCCDイメージセンサがメインとなっていたシャープでしたが、現在はCMOSイメージセンサにも力を入れており、素晴らしい3.18から33.27メガピクセルまでのラインナップを備えています。
シャープのイメージセンサは、スマートフォンやデジタルカメラを始めとする日常のデジタルライフを支えるだけでなく、産業用機器や医療機器、さらには自動運転技術といった先進的な分野での応用も見込んでいます。
製品の特徴は高解像度、低ノイズ、高速読み取りなどの優れた性能で、こうした性能が求められる分野において、その信頼性と耐久性は過酷な使用条件下でも堅牢さを保ち、一段とその価値を発揮します。
このように、シャープのイメージセンサは社会の進化さまざまなシーンに対応し、その応用範囲はさらに広がりを見せています
浜松ホトニクス
浜松ホトニクスという名では一般的には知名度が低いかもしれませんが、その業績はイメージセンサ製造の一端を担う先駆者として高い評判を得ています。
浜松市を本社とする同社は、様々な波長の光を捉える200種以上のイメージセンサを開発し、その品質と信頼性で業界から一目置かれています。
その中でも、特にCCDセンサーやCMOSセンサーなどは、高品質さと多面的な利用可能性で全世界にその技術力を認められています。
さらに、OEM製品も取り扱っているため、浜松ホトニクス製であることが認識されにくい製品も存在しています。
このように医療、科学、工業など多岐にわたる分野で利用されている同社の製品は、業界をリードする高性能なイメージセンサとして知られ、その技術力と革新性が高く評価されています。
パナソニック
パナソニックは、エレクトロニクス産業のリーダーとして、CMOSイメージセンサの世界で広く知られています。
その長年にわたる専門的な知識と技術の進化により、高品質で効率的なイメージセンサを提供することで、評価を集めています。
パナソニックは、優れたパフォーマンスと信頼性を両立し、特に4Kから8K、それ以上の高解像度ビジョンを導く技術の開発に力を注いでいます。
パナソニックのCMOSイメージセンサは、「SmartFSI®」技術を採用し、逆光撮影・動体ブレ抑制・近赤外光撮影対応など、高感度・低ノイズ・高色再現性を実現しています。
その製品ラインアップは産業用、監視用、医療用イメージセンサから放送用デジタルカメラ用イメージセンサまで多岐にわたり、どのような要求にも対応可能です。
また、パナソニックとしては、製品の環境負荷の低減にもコミットしています。エネルギー効率が高いイメージセンサの開発に努め、環境負荷の削減と製品性能の向上を両立できるよう工夫しています。
これら全てが、パナソニックがイメージセンサ業界のリーディングメーカーとして認識される理由です。
イメージセンサーの開発競争
イメージセンサーは、さまざまなデバイスに組み込まれ、私たちの周囲を覆い尽くしています。
街中やビル内の監視カメラ、自動車のドライブレコーダーやナンバー自動読み取りシステム、そして私たちが一日に何度も手にするスマートフォンのカメラなど、これらはすべてイメージセンサーの技術が支えています。
このような市場の拡大に伴い、イメージセンサーに求められる性能も高まってきています。
超高解像度、高感度、低消費電力化といった要求は日々激化し、メーカー間での開発競争は尽きることがありません。
開発過程は、製品を作るメーカーが自社で行うことが一般的で、製品の特性を最大限に引き出すための独自の技術が盛り込まれます。
これには外販を主とするメーカーも存在し、多様なニーズに対応するために開発競争が繰り広げられています。
現在、CMOSイメージセンサーという最新の技術では、約6000万画素の超高解像度を実現するものまで登場しています。そして、最先端の3D画像や深度センシング技術の開発も進行中。
これらの新たな技術は、私たちが使用するデバイスの性能向上はもちろん、遠隔医療や自動運転といった新たな分野の成長も支えています。
この激しい開発競争は、間違いなく進化を促進しています。それは、私たちが目にする美しい映像の鮮明度向上や、新たな技術分野の発展にも貢献することでしょう。未来に向けたこの競争は、私たちの生活を豊かにすると同時に、新たな可能性を切り開いています。
まとめ
イメージセンサーとは、画像を電子データに変換する鍵となる素子です。
CMOSとCCDはその代表的なセンサーで、特にCMOSは低消費電力で高画質な点が特徴。これによりスマホやデジカメは美しい画像を生成します。
よって、イメージセンサーの理解はデジタルイメージングの理解へと繋がるのです。
