2031年7月25日2025 年には CMOS センサーが科学画像処理と一般向け画像処理の両方で主流になりますが、常にそうだったわけではありません。
CCDは「Charge-Coupled Device（電荷結合素子）」の略で、CCDセンサーは1970年に初めて開発されたデジタルカメラの元祖センサーです。CCDおよびEMCCDベースのカメラは、ほんの数年前まで科学用途で広く推奨されていました。どちらの技術も現在も生き残っていますが、用途はニッチなものとなっています。
CMOSセンサーの改良と開発は加速を続けています。これらの技術の違いは、主に検出された電荷の処理方法と読み出し方法にあります。
CCD センサーとは何ですか?
CCDセンサーは、光を捉えてデジタル信号に変換するために使用されるイメージセンサーの一種です。CCDセンサーは、光子を収集して電荷に変換する光感度ピクセルの配列で構成されています。
CCD センサーの読み出しは、CMOS とは 3 つの重要な点で異なります。
● チャージ転送捕捉された光電子は静電的にセンサー上のピクセルからピクセルへと移動し、下部の読み出し領域に到達します。
● 読み出し機構: CCD では、並列に動作するアナログ/デジタル コンバーター (ADC) の列全体ではなく、ピクセルを順番に読み取る 1 つまたは 2 つの ADC (場合によってはそれ以上) のみを使用します。
コンデンサとアンプ配置: 各ピクセルのコンデンサとアンプの代わりに、各 ADC には 1 つのコンデンサとアンプがあります。
CCD センサーはどのように動作するのでしょうか?
CCD センサーが画像を取得して処理する仕組みは次のとおりです。
図: CCDセンサーの読み出しプロセス
CCDセンサーは、露光終了時にまず、各ピクセル内のマスクされた記憶領域（図示せず）に蓄積した電荷を移動させます。次に、1行ずつ電荷を読み出しレジスタに転送します。そして、1列ずつ読み出しレジスタ内の電荷を読み出します。
1. チャージクリア: 取得を開始するには、センサー全体から同時に電荷が消去されます (グローバル シャッター)。
2. 電荷蓄積: 露光中に電荷が蓄積されます。
3. 電荷貯蔵: 露出の終了時に、収集された電荷は各ピクセル内のマスクされた領域 (インターライン転送 CCD と呼ばれる) に移動され、そこで新たに検出された光子がカウントされることなく、読み出しを待つことができます。
4. 次のフレームの露出: 検出された電荷がマスクされたピクセル領域に保存され、アクティブなピクセル領域で次のフレームの露光を開始できます (オーバーラップ モード)。
5. 連続読み出し: 完成したフレームの各行の電荷が 1 行ずつ「読み出しレジスタ」に移動されます。
6. 最終発表: 各ピクセルからの電荷は、一度に 1 列ずつ読み出しノードに送られ、ADC で読み出されます。
7. 繰り返し: このプロセスは、すべてのピクセルで検出された電荷がカウントされるまで繰り返されます。
検出されたすべての電荷が少数（場合によっては 1 つ）の読み出しポイントによって読み取られることによって発生するこのボトルネックにより、CMOS と比較すると CCD センサーのデータ スループットに厳しい制限が生じます。
CCDセンサーの長所と短所
| 長所 | 短所 |
| 暗電流が低い。冷却時に通常約 0.001 e⁻/p/s。 | 速度制限 標準的なスループットは約 20 MP/秒で、CMOS よりもはるかに低速です。 |
| オンピクセルビニング電荷は読み出し前に合計され、ノイズが低減されます。 | シングルポイント ADC 読み取りのため、5 ～ 10 e⁻ の高い読み取りノイズが一般的です。 |
| グローバル シャッター インターライン/フレーム転送 CCD における真のグローバル シャッターまたはほぼグローバル シャッター。 | ピクセル サイズが大きいと、CMOS が提供する小型化に匹敵できません。 |
| 高い画像均一性。定量的な画像化に最適です。 | 消費電力が高い 電荷シフトと読み取りにより多くの電力が必要です。 |
CCDセンサーの利点
● 低暗電流: 技術上、CCD センサーは暗電流が非常に低い傾向があり、冷却時には通常 0.001 e-/p/s 程度になります。
● オンピクセルビニングビニングでは、CCDは読み出し後ではなく読み出し前に電荷を加算するため、読み出しノイズは発生しません。暗電流は増加しますが、前述の通り、通常はごくわずかです。
● グローバルシャッターインターラインCCDセンサーは真のグローバルシャッターで動作します。フレーム転送CCDセンサーはハーフグローバルシャッターを使用します（図45の「マスク」領域を参照）。露光の開始と終了のフレーム転送プロセスは完全に同時ではなく、通常は1～10マイクロ秒程度かかります。一部のCCDセンサーは機械式シャッターを使用しています。
CCDセンサーの欠点
● 速度制限典型的なデータスループット（ピクセル/秒）は約20メガピクセル/秒（MP/s）で、これは4MP画像を5fpsで処理する速度に相当します。これは同等のCMOSの約20倍、高速CMOSの少なくとも100倍の速度です。
● 高い読み取りノイズCCD の読み取りノイズは高くなります。これは主に、使用可能なカメラ速度を実現するために ADC を高速で実行する必要があるためです。ハイエンドの CCD カメラでは 5 ～ 10 e- が一般的です。
● より大きなピクセル多くのアプリケーションでは、ピクセルが小さいほど有利です。一般的なCMOSアーキテクチャでは、CCDよりも最小ピクセルサイズを小さくすることができます。
● 高い消費電力CCD センサーを動作させるために必要な電力は、CMOS よりもはるかに高くなります。
科学画像におけるCCDセンサーの応用
CMOSテクノロジーは普及していますが、画質、感度、そして一貫性が最も重要となる特定の科学画像処理アプリケーションでは、依然としてCCDセンサーが好まれています。CCDセンサーは、低照度信号を最小限のノイズで捉える優れた能力を備えており、精密アプリケーションに最適です。
天文学
CCDセンサーは、遠くの星や銀河からの微かな光を捉える能力があるため、天文撮影において極めて重要な役割を果たします。天文台だけでなく、アマチュア天文愛好家の長時間露光天体写真撮影にも広く利用されており、鮮明で詳細な画像を提供します。
顕微鏡と生命科学
ライフサイエンスにおいて、CCDセンサーは微弱な蛍光信号や微細な細胞構造を捉えるために使用されます。高い感度と均一性により、蛍光顕微鏡、生細胞イメージング、デジタルパソロジーなどの用途に最適です。また、直線的な光応答により、正確な定量分析が可能です。
半導体検査
CCDセンサーは半導体製造、特にウェハ検査において極めて重要な役割を果たします。その高解像度と安定した画像品質は、チップ内の微細な欠陥を特定し、半導体製造に必要な精度を確保する上で不可欠です。
X線と科学画像
CCDセンサーは、X線検出システムやその他の特殊な画像アプリケーションにも使用されています。特に冷却時に高い信号対雑音比を維持できる能力は、結晶構造解析、材料分析、非破壊検査といった困難な条件下で鮮明な画像を取得するために不可欠です。
CCD センサーは今でも重要ですか?
Tucsen H-694 & 674 CCDカメラ
CMOS技術の急速な発展にもかかわらず、CCDセンサーは決して時代遅れではありません。CCDセンサーは、比類のない画質とノイズ特性が重要となる超低照度・高精度撮像タスクにおいて、依然として優れた選択肢です。深宇宙天文学や高度な蛍光顕微鏡といった分野では、CCDカメラは多くのCMOSセンサーよりも優れた性能を発揮することがよくあります。
CCD センサーの長所と短所を理解することで、研究者やエンジニアは特定のニーズに適したテクノロジーを選択し、科学的または産業的アプリケーションで最適なパフォーマンスを確保することができます。
よくある質問
CCD センサーはいつ選択すればよいですか?
CCDセンサーは、CMOS技術の台頭により、その低暗電流性能さえも凌駕し始めており、10年前と比べてはるかに希少になっています。しかし、優れた画質、低ノイズ、高感度といったCCDセンサーの性能特性の組み合わせが、優位性を発揮する用途は常に存在します。
科学カメラはなぜ冷却CCDセンサーを使用するのでしょうか?
冷却により画像撮影時の熱ノイズが低減され、画像の鮮明度と感度が向上します。これは特に低照度および長時間露光での科学撮影において重要であり、多くのハイエンド製品に搭載されています。科学カメラよりクリーンで正確な結果を得るには、冷却 CCD を使用します。
CCD および EMCCD センサーのオーバーラップ モードとは何ですか? また、オーバーラップ モードによってカメラのパフォーマンスがどのように向上しますか?
CCDセンサーとEMCCDセンサーは通常、「オーバーラップモード」に対応しています。グローバルシャッターカメラの場合、これは次のフレームの露光中に前のフレームを読み出す機能を指します。これによりデューティサイクルが高く（ほぼ100%）、フレームを露光しない時間が最小限に抑えられ、フレームレートが向上します。
注意: オーバーラップ モードは、ローリング シャッター センサーの場合、意味が異なります。
