2025/07/312025年にはCMOSセンサーが科学分野と一般消費者向けイメージング分野の両方で主流となっているが、常にそうだったわけではない。
CCDは「電荷結合素子（Charge-Coupled Device）」の略で、CCDセンサーは1970年に初めて開発された、デジタルカメラの原点となるセンサーです。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。現在でも両技術は存続していますが、その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の速度はますます加速している。これらの技術の主な違いは、検出された電荷の処理方法と読み出し方法にある。
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イメージセンサーの一種です。光に敏感なピクセルが配列されており、光子を集めて電気信号に変換します。
CCDセンサーの読み出しは、CMOSセンサーとは大きく3つの点で異なります。
● チャージ転送捕捉された光電子は、静電的にセンサー上をピクセルごとに移動し、下部の読み出し領域に到達します。
● 読み出し機構: CCDは、並列に動作するアナログ・デジタル変換器（ADC）の列全体を使用する代わりに、ピクセルを順次読み取る1つまたは2つ（場合によってはそれ以上）のADCのみを使用します。
コンデンサとアンプの配置：各ピクセル内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搭載されています。
CCDセンサーはどのように動作するのか？
CCDセンサーが画像を取得・処理する仕組みは以下のとおりです。
露光終了後、CCDセンサーはまず収集した電荷を各ピクセル内のマスクされた記憶領域（図示せず）に移動させます。次に、電荷は1行ずつ読み出しレジスタに移動され、読み出しレジスタ内の電荷は1列ずつ読み出されます。
1. 料金の清算: 取得を開始するには、センサー全体から電荷が同時に消去されます（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. 充電ストレージ露光の最後に、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ピクセルのマスク領域に格納されると、ピクセルのアクティブ領域は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. シーケンシャル読み出し: 完成したフレームの各行から、一度に1行ずつ電荷が「読み出しレジスタ」に移動されます。
6. 最終結果: 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の（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生じるこのボトルネックは、CMOSと比較してCCDセンサーのデータスループットに深刻な制限をもたらします。
CCDセンサーの長所と短所
| 長所 | 短所 |
| 暗電流は低く、冷却時で通常約0.001 e⁻/p/sです。 | 速度制限あり。標準的なスループットは約20 MP/秒で、CMOSよりもはるかに遅い。 |
| オンピクセルビニングでは、読み出し前に電荷が合計されるため、ノイズが低減されます。 | シングルポイントADC読み出しのため、5～10 e⁻という高い読み出しノイズが発生するのが一般的です。 |
| 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ニアグローバルシャッター。 | より大きなピクセルサイズは、CMOSが提供する小型化には及ばない。 |
| 高い画像均一性。定量的な画像処理に最適です。 | 消費電力が高い。電荷の移動と読み出しに多くの電力が必要となる。 |
CCDセンサーの利点
● 暗電流が低い: 技術的に本質的に、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。
● ピクセル単位のビニングビニングを行う際、CCDは読み出し後に電荷を追加するのではなく、読み出し前に電荷を追加するため、読み出しノイズは発生しません。暗電流は増加しますが、前述のとおり、通常は非常に低い値です。
● 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）。フレーム転送プロセスによる露光の開始と終了は完全には同時ではなく、通常1～10マイクロ秒程度かかります。一部のCCDは機械式シャッターを使用します。
CCDセンサーの欠点
● 速度制限あり: 標準的なデータスループットは、1秒あたり約20メガピクセル（MP/s）で、これは5fpsで4メガピクセルの画像に相当します。これは、同等のCMOSセンサーと比較して約20倍遅く、高速CMOSセンサーと比較して少なくとも100倍遅いです。
● 高い読み取りノイズCCDの読み出しノイズは高い。これは主に、実用的なカメラ速度を実現するためにADCを高速で動作させる必要があるためである。ハイエンドCCDカメラでは、5～10 e-が一般的である。
● より大きなピクセル多くの用途において、画素サイズが小さいほど有利となる。一般的なCMOSアーキテクチャでは、CCDよりも小さな最小画素サイズを実現できる。
● 消費電力が高いCCDセンサーの動作に必要な電力は、CMOSセンサーよりもはるかに高い。
科学画像処理におけるCCDセンサーの応用
CMOS技術は普及が進んでいるものの、画質、感度、一貫性が極めて重要な特定の科学画像処理用途では、依然としてCCDセンサーが好まれている。低照度信号を最小限のノイズで捉える優れた能力により、高精度な用途に最適である。
天文学
CCDセンサーは、遠方の星や銀河からの微かな光を捉えることができるため、天体画像撮影において非常に重要です。天文台や高度なアマチュア天文家において、長時間露光による天体写真撮影に広く用いられ、鮮明で詳細な画像を提供します。
顕微鏡学と生命科学
生命科学分野では、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。その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、デジタル病理学などの用途に最適です。また、直線的な光応答特性により、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、特にウェハー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ために不可欠です。
X線および科学画像処理
CCDセンサーは、X線検出システムやその他の特殊な画像処理アプリケーションにも使用されています。特に冷却時において高い信号対雑音比を維持できる能力は、結晶学、材料分析、非破壊検査といった厳しい条件下で鮮明な画像を得るために不可欠です。
CCDセンサーは今日でもなお重要なのか？
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。超低照度環境や高精度イメージングにおいては、その比類のない画質とノイズ特性が不可欠となるため、依然として好ましい選択肢となっています。深宇宙天文学や高度な蛍光顕微鏡などの分野では、CCDカメラは多くのCMOSカメラを凌駕する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それぞれのニーズに合った適切な技術を選択でき、科学的または産業的な用途において最適な性能を確保することができます。
よくある質問
CCDセンサーはいつ選ぶべきですか？
CCDセンサーは、CMOS技術が低暗電流性能にさえ迫りつつあるため、10年前と比べて今日では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、高感度といった性能特性の組み合わせが利点となる用途は、今後も常に存在するでしょう。
科学カメラはなぜ冷却式CCDセンサーを使用するのか？
冷却は画像取得時の熱ノイズを低減し、画像の鮮明度と感度を向上させます。これは特に低照度および長時間露光の科学画像処理において重要であり、そのため多くのハイエンド機器が冷却機能を備えています。科学カメラより鮮明で正確な結果を得るためには、冷却式CCDを使用する。
CCDおよびEMCCDセンサーにおけるオーバーラップモードとは何ですか？また、カメラの性能をどのように向上させるのですか？
CCDおよびEMCCDセンサーは、一般的に「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%）、フレームが光に当たっていない時間の無駄が最小限に抑えられるため、フレームレートが向上します。
注：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では意味が異なります。
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