CMOS センサーについて: ほとんどの画像処理における最新の標準 |

スマートフォンから科学機器に至るまで、イメージセンサーは今日の視覚技術の中核を担っています。中でもCMOSセンサーは、日常的な写真撮影から高度な顕微鏡検査、半導体検査まで、あらゆる用途で圧倒的な存在感を発揮しています。

「相補型金属酸化膜半導体」（CMOS）テクノロジーは、電子アーキテクチャと製造プロセス技術の集合体であり、その応用範囲は極めて広範です。まさに、CMOSテクノロジーは現代のデジタル時代を支えていると言えるでしょう。

CMOS センサーとは何ですか?

CMOSイメージセンサー（CIS）はアクティブピクセルを使用します。つまり、カメラの各ピクセルに3つ以上のトランジスタが使用されています。CCDとEMCCDのピクセルにはトランジスタは含まれていません。

各ピクセル内のトランジスタは、これらの「アクティブ」ピクセルの制御、電界効果トランジスタによる信号の増幅、そしてそれらのデータへのアクセスをすべて並列に実行することを可能にする。センサー全体またはセンサーの大部分に単一の読み出しパスを設ける代わりに、CMOSカメラ少なくとも1列分の読み出しADCを備えており、センサーの各列に1つ（または複数）のADCが配置されています。各ADCは、それぞれの列の値を同時に読み取ることができます。さらに、これらの「アクティブピクセル」センサーはCMOSデジタルロジックと互換性があり、センサーの潜在的な機能を高めます。

これらの特性が相まって、CMOSセンサーは高速化を実現しています。さらに、並列処理能力の向上により、個々のADCは検出した信号をより正確に測定するために、より長い時間をかけることができます。この長い変換時間により、ピクセル数が多くても非常に低ノイズな動作が可能になります。こうした特性とその他の革新により、CMOSセンサーの読み出しノイズはCCDセンサーの5分の1から10分の1程度まで低減されます。

最新の科学 CMOS (sCMOS) カメラは、研究用途における低ノイズ、高速画像処理向けに設計された CMOS の特殊なサブタイプです。

CMOSセンサーはどのように動作するのか？（ローリングシャッターとグローバルシャッターを含む）

一般的なCMOSセンサーの動作は図に示されており、以下に概要を説明します。以下の動作の違いにより、グローバルシャッターCMOSカメラとローリングシャッターCMOSカメラでは露光のタイミングと動作が異なることにご注意ください。

図: CMOSセンサーの読み出しプロセス

注記CMOSカメラの読み出しプロセスは、本文で説明したように、「ローリングシャッター」カメラと「グローバルシャッター」カメラで異なります。どちらの場合も、各ピクセルにはコンデンサとアンプが内蔵されており、検出された光電子の数に基づいて電圧を生成します。各行では、各列の電圧が列A/Dコンバータによって同時に測定されます。

ローリングシャッター

1. ローリングシャッター CMOS センサーの場合、一番上の行 (スプリットセンサーカメラの場合は中央) から始めて、その行の電荷をクリアして、その行の露出を開始します。
2. 「ライン時間」が経過したら (通常 5 ～ 20 μs)、次の行に移動し、センサー全体が露出するまで手順 1 から繰り返します。
3. 各行の露光時間が終了するまで、露光中に電荷が蓄積されます。最初に露光を開始した行が最初に露光を終了します。
4. 1 行の露光が終了したら、電荷を読み出しコンデンサとアンプに転送します。
5. 次に、その行の各アンプの電圧が列 ADC に接続され、その行のすべてのピクセルの信号が測定されます。
6. 読み出しとリセット操作が完了するまでに「ライン時間」を要し、その後、次に露出を開始する行の露出時間が終了し、手順 4 からプロセスが繰り返されます。
7. 最上行の読み出しが完了すると、最下行が現在のフレームの露光を開始していれば、最上行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）。露光時間がフレーム時間よりも短い場合、最上行は最下行が露光を開始するまで待機する必要があります。最短の露光時間は通常、1ライン時間です。

TucsenのFL 26BW冷却CMOSカメラソニーIMX533センサーを搭載したは、このローリングシャッター技術を採用しています。

グローバルシャッター

ソース：GMAX3412 グローバルシャッターCMOSイメージセンサー

1. 取得を開始するには、センサー全体から同時に電荷がクリアされます (ピクセルウェルのグローバルリセット)。
2. 露光中に電荷が蓄積されます。
3. 露光終了時に、収集された電荷は各ピクセル内のマスクされたウェルに移動され、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。一部のカメラでは、この段階で電荷をピクセルコンデンサに移動します。
4. 検出された電荷が各ピクセルのマスクされた領域に保存され、ピクセルのアクティブ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. マスクされた領域からの読み出しプロセスは、ローリングシャッターセンサーの場合と同様に進行します。センサーの上から 1 行ずつ、マスクされたウェルから読み出しコンデンサとアンプに電荷が転送されます。
6. その行の各アンプの電圧は列 ADC に接続され、その行のすべてのピクセルの信号が測定されます。
7. 読み出しとリセット操作が完了するまでに「ライン時間」を要し、その後、手順 5 から次の行に対してプロセスが繰り返されます。
8. すべての行が読み取られると、カメラは次のフレームを読み取る準備ができ、手順 2 からプロセスを繰り返すことができます。露出時間がすでに経過している場合は、手順 3 からプロセスを繰り返すことができます。

TucsenのLibra 3412MモノsCMOSカメラグローバルシャッター技術を採用し、動くサンプルを鮮明かつ迅速に撮影できます。

CMOSセンサーの長所と短所

長所

● より高速なCMOS センサーは通常、CCD センサーや EMCCD センサーよりもデータスループットが 1 ～ 2 桁高速です。
● 大型センサー: データスループットが高速化することで、ピクセル数の増加と視野の拡大が可能になり、最大で数十または数百メガピクセルまで対応できます。
● 低騒音一部の CMOS センサーでは読み取りノイズが 0.25e- まで低く抑えられており、ノイズ源を増やす電荷増倍を必要とせずに EMCCD に匹敵します。
● ピクセルサイズの柔軟性: 消費者向けカメラやスマートフォンのカメラセンサーでは、ピクセルサイズが約 1 μm の範囲まで縮小され、科学用カメラでは最大 11 μm のピクセルサイズが一般的で、最大 16 μm のピクセルサイズが利用可能です。
● 低消費電力CMOS カメラは消費電力が低いため、さまざまな科学および産業アプリケーションで使用できます。
● 価格と寿命ローエンドのCMOSカメラは通常、CCDカメラと同等かそれ以下の価格ですが、ハイエンドのCMOSカメラはEMCCDカメラよりもはるかに安価です。CMOSカメラの期待寿命は、EMCCDカメラよりもはるかに長くなります。

短所

● ローリングシャッター: 科学用 CMOS カメラの大半にはローリングシャッターが搭載されており、実験ワークフローが複雑になったり、一部のアプリケーションが使用できなくなったりする可能性があります。
● より高い暗電流t: ほとんどの CMOS カメラは、CCD センサーや EMCCD センサーよりも暗電流がはるかに高く、長時間露光 (1 秒以上) で大きなノイズが発生することがあります。

CMOSセンサーが現在使用されている場所

CMOS センサーは汎用性が高いため、さまざまな用途に使用されています。

● 家電製品: スマートフォン、ウェブカメラ、デジタル一眼レフカメラ、アクションカメラ。
● ライフサイエンス: CMOSセンサー電源顕微鏡カメラ蛍光イメージングや医療診断に使用されます。

● 天文学: 望遠鏡や宇宙撮影装置では、高解像度と低ノイズを実現するために、科学用 CMOS (sCMOS) がよく使用されます。
● 産業検査: 自動光学検査（AOI）、ロボット工学、半導体検査用カメラ速度と精度のために CMOS センサーに依存します。

● 自動車: 先進運転支援システム (ADAS)、リアビューカメラ、パーキングカメラ。
● 監視とセキュリティ: 低照度および動き検出システム。

CMOS は、そのスピードとコスト効率により、大量生産の商用利用と専門的な科学研究の両方に最適なソリューションとなっています。

CMOSが現代の標準となった理由

CCDからCMOSへの移行は一夜にして起こったわけではありませんが、必然的なものでした。CMOSが現在、イメージング業界の基盤となっている理由は次のとおりです。

● 製造上の優位性: 標準的な半導体製造ライン上に構築され、コストが削減され、スケーラビリティが向上します。
● パフォーマンスの向上: ローリングシャッターとグローバルシャッターのオプション、低照度感度の向上、およびフレームレートの向上。
● 統合とインテリジェンスCMOS センサーは、オンチップ AI 処理、エッジコンピューティング、リアルタイム分析をサポートするようになりました。
● イノベーションスタック CMOS、量子イメージセンサー、曲面センサーなどの新しいセンサータイプは、CMOS プラットフォーム上に構築されます。

スマートフォンから科学カメラCMOS は、適応性、強力さ、将来性を備えていることが証明されています。