CMOSセンサーの理解：ほとんどのイメージングにおける現代の標準

スマートフォンから科学機器まで、イメージセンサーは今日のビジュアルテクノロジーの中核を成しています。中でもCMOSセンサーは圧倒的な存在感を放ち、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、あらゆる分野でその性能を発揮しています。

「相補型金属酸化膜半導体」（CMOS）技術は、非常に幅広い用途を持つ電子回路アーキテクチャおよび製造プロセス技術群です。実際、CMOS技術は現代のデジタル時代を支える基盤と言えるでしょう。

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ており、これは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ることを意味します。CCDおよび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により、これらの「アクティブ」ピクセルを制御し、「電界効果」トランジスタを介して信号を増幅し、データにアクセスすることが可能になり、すべて並列で行われます。センサー全体またはセンサーの大部分に対して単一の読み出しパスを使用する代わりに、CMOSカメラ少なくとも1行分の読み出し用ADC（アナログ・デジタル変換器）を備え、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。これらのADCはそれぞれ、担当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、センサーの機能性を向上させます。

これらの特性が相まって、CMOSセンサーの高速性を実現しています。さらに、並列処理能力の向上により、個々のADCは検出信号をより正確に測定するために、より長い時間を要します。この長い変換時間により、画素数が多い場合でも非常に低ノイズの動作が可能になります。こうした技術革新のおかげで、CMOSセンサーの読み出しノイズは、CCDセンサーの読み出しノイズの5～10分の1程度に抑えられています。

最新の科学用CMOS（sCMOS）カメラは、研究用途における低ノイズかつ高速な画像処理のために設計された、CMOSの特殊なサブタイプである。

CMOSセンサーの仕組みとは？（ローリングシャッターとグローバルシャッターの違いを含む）

一般的なCMOSセンサーの動作を図に示し、以下に概要を説明します。なお、以下の動作上の違いにより、グローバルシャッター式CMOSカメラとローリングシャッター式CMOSカメラでは、露光のタイミングと動作が異なります。

注：CMOSカメラの読み出しプロセスは、本文で説明されているように、「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。いずれの場合も、各ピクセルにはコンデンサとアンプが内蔵されており、検出された光電子数に基づいて電圧を生成します。各行について、各列の電圧は列アナログ-デジタル変換器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、最上段（またはスプリットセンサーカメラの場合は中央）から始めて、その段の電荷を消去して、その段の露光を開始します。
2. 「ライン時間」（通常5～20μs）が経過したら、次の行に移動し、センサー全体が露光されるまで手順1から繰り返します。
3. 各行において、露光中に電荷が蓄積され、その行の露光時間が終了するまで電荷が蓄積されます。最初に開始した行が最初に終了します。
4. 1行分の露光が完了したら、読み出しコンデンサとアンプに電荷を転送します。
5. その行の各アンプの電圧は列ADCに接続され、その行の各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には「ライン時間」がかかり、その後、露光を開始する次の行の露光時間が終了し、手順4からプロセスが繰り返されます。
7. 上段の読み出しが完了すると、下段が現在のフレームの露光を開始していれば、上段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は、上段は下段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ライン分です。

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

グローバルシャッター

1. 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（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る。
3. 露光終了後、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、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機します。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させます。
4. 検出された電荷が各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. マスク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。センサーの上部から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、その行の各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には「ライン時間」がかかり、その後、ステップ 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たら、カメラは次のフレームを読み取る準備が整い、ステップ 2 から、または露光時間がすでに経過している場合はステップ 3 からプロセスを繰り返すことができます。

TucsenのLibra 3412MモノクロsCMOSカメラグローバルシャッター技術を採用することで、動くサンプルを鮮明かつ迅速に撮影することが可能です。

CMOSセンサーの長所と短所

長所

● より高速CMOSセンサーは、一般的に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桁速い。
● より大型のセンサーデータ処理速度の向上により、画素数の増加と視野の拡大が可能になり、最大で数十メガピクセル、あるいは数百メガピクセルまで対応できます。
●低騒音一部のCMOSセンサーは、0.25e-という低い読み出しノイズを実現でき、追加のノイズ源となる電荷増幅を必要とせずにEMCCDに匹敵する性能を発揮します。
● 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用カメラのセンサーは、画素サイズを約1μmの範囲まで縮小させており、画素サイズが最大11μmの科学用カメラが一般的で、最大16μmのものも入手可能です。
● 消費電力が低いCMOSカメラは消費電力が低いため、より幅広い科学および産業用途での利用が可能となる。
●価格と寿命低価格帯のCMOSカメラは一般的にCCDカメラと同等かそれ以下の価格帯であり、高価格帯のCMOSカメラはEMCCDカメラよりもはるかに低価格です。また、期待される耐用年数はEMCCDカメラをはるかに上回るはずです。

短所

● シャッター科学用途のCMOSカメラの大部分はローリングシャッター方式を採用しているため、実験ワークフローが複雑になったり、一部の用途には適さなくなったりする可能性がある。
● より高い暗電流t: ほとんどのCMOSカメラは、CCD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）時に大きなノイズが発生することがあります。

現在、CMOSセンサーはどのような場所で使用されているのか

CMOSセンサーはその汎用性の高さから、非常に幅広い用途で利用されています。

● 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用いられる。

● 天文学望遠鏡や宇宙画像装置では、高解像度と低ノイズを実現するために、科学用CMOS（sCMOS）がよく使用される。
● 工業検査: 自動光学検査 (AOI)、ロボット工学、および半導体検査用カメラ速度と精度に関しては、CMOSセンサーに依存している。

●自動車先進運転支援システム（ADAS）、後方視界カメラ、駐車カメラ。
●監視とセキュリティ低照度および動体検知システム。

CMOSは、その速度とコスト効率の高さから、大量生産の商業用途と専門的な科学研究の両方において、最適なソリューションとなっている。

CMOSが現代の標準規格となった理由

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、必然的な流れでした。CMOSが今やイメージング業界の基盤となっている理由を以下に説明します。

● 製造上の優位性標準的な半導体製造ラインに基づいて製造されているため、コスト削減と拡張性の向上を実現しています。
● 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センサーは現在、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しています。
● イノベーション積層型CMOS、量子イメージセンサー、曲面センサーといった新興センサーは、CMOSプラットフォームを基盤として構築されている。

スマートフォンから科学カメラCMOSは、適応性、性能、そして将来性において優れていることが証明されている。