CMOSイメージセンサとは

THEME 08 デバイスと回路 · 光半導体CMOS Image Sensor

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CMOSイメージセンサとは、光を受けるフォトダイオードを平面に並べ、その信号をCMOS回路で読み取る固体撮像素子です。 CCDイメージセンサと同じくフォトダイオードを使い、違いは製造プロセスと信号の読み出し方です¹。読み出し方の違いから、小さな消費電力、回路の同居、行ごとの露光のずれなど、いくつもの性質が出てきます。

CCDは出口の1個で、CMOSは画素ごとに増幅する

イメージセンサーの構造には、一般にCCDとCMOSの2方式があります。CMOSイメージセンサーは動作が速く消費電力が小さいため、いまはスマートフォンやデジタルカメラをはじめ多くの分野で主流です²。光を電気信号へ変える受光部のフォトダイオードは両方式で共通で¹、別々になるのはその先の運び方です。

CCDイメージセンサーは、光を電荷へ変えたあと、その電荷を一画素ずつバケツリレーのように送り、センサーの出口に備えたアンプで増幅して信号にします。CMOSイメージセンサーでは、フォトダイオードの1つ1つにアンプが付いているので、その場で増幅して信号にし、一気に送り出します²。

現在のCMOSイメージセンサの画素は、画素内に電荷から電圧への変換部を持つ増幅型画素です。信号を初段で増幅するので、画素より後ろの回路で混入するランダム雑音を利得分の1に減らせます³。単位セルごとに増幅器を持つことで、読み出し時の電気ノイズの発生も抑えられます¹。

増幅器の置き場所が、方式のすべてを分けます

左では、すべての電荷が転送路を通って出口の1個のアンプへ集まります。右では、画素の数だけアンプがあり、選んだ行の信号だけが列の信号線へ出ていきます。この置き場所の違いから、消費電力も速度も歪み方も決まってきます。

行と列で画素を選ぶ読み出しが、低消費電力と歪みを同時に生む

行と列を指定して読みたい画素を選ぶやり方を、X-Yアドレス読み出し方式と呼びます。CMOSイメージセンサが一般にCCDイメージセンサより消費電力が小さい理由は3点です。電源電圧が2.5〜3.3 Vと低いこと、X-Yアドレス読み出し方式のため選んだ画素または行だけを動かせばよいこと、駆動回路や信号を演算する回路を1つのチップへ集積できることです³。CCDイメージセンサは電荷転送で読み出すため、ほとんど常時、垂直と水平のCCDを駆動させる必要があります。

CCDイメージセンサでは電荷を転送するための電力と出力アンプ部での電力消費が大きく、これらの成分が画素レートに比例して増えます。そのため、画素数が多いほど、またフレームレートが高いほど、消費電力についてのCMOSイメージセンサの優位性が増します³。

明るい点から伸びる縦スジも、この方式で変わります。CCDイメージセンサで起きる垂直スミアは、CMOSイメージセンサでは増幅型画素とX-Yアドレス読み出し方式のため基本的に抑えられ³、原理のうえでスミアやブルーミングを抑えられる点が長所です¹。

同じ方式から、代償も出てきます。通常の画素では信号電荷をためはじめる時刻と終える時刻が、行ごとに1行分の期間だけずれていて（ローリングシャッタ）、フレームレートが低い場合には速く動く被写体の再生像が歪みます³。行を順番に走査する仕組みが、そのまま時間のずれになります。

行を1つずつ選ぶやり方が、利点と代償を同時に連れてきます

左では1行だけが色付きで、駆動されている範囲の狭さを表しています。右では各行の蓄積期間が階段状にずれ、同じ1枚の中で行ごとに写した瞬間もずれていることを表しています。利点と代償が同じ読み出し方式から出てきます。

歪みは画素の作りで扱える問題です。ソニーセミコンダクタソリューションズは、グローバルシャッター機能を搭載した産業用のイメージセンサーで、高速で動く被写体を歪みなく撮像でき、文字なども判読できるとしています⁴。

AD変換器まで、画素と同じチップに載せられる

CMOSイメージセンサーは、高速性と低消費電力性に加えて、アナログ回路とデジタル回路を1つのチップへまとめられるシステムインテグレーション適応性を持ちます²。AD変換器をオンチップに集積し、信号をデジタルデータとして出力するのが一般的になっています³。画素がCMOSの回路と同じ土俵にあることが、この同居を可能にしています。

画質の評価は、資料の年代で食い違う

CMOSイメージセンサの画質をめぐる記述は、資料の年代で食い違います。ソニーセミコンダクタソリューションズは、初期段階のCMOSイメージセンサーはCCDイメージセンサーよりノイズが多く感度が低いという欠点を持ち、画質の面で劣っていたものの、その後の技術革新でCCDイメージセンサーを上回る画質の動画や静止画を撮れるようになったとしています²。同社は2007年にカラムA/D変換回路搭載の製品を、2009年に自社の従来比2倍の感度を実現した裏面照射型を、2012年に積層型を商品化しました。

一方、ICガイドブック2009年版の用語解説を出所とするJEITAの半導体用語集は、「エリアセンサ」の項で、画質の面ではCCDに、コストの面ではCMOSイメージセンサに分があるとしたうえで、近年はCMOSイメージセンサの画質の伸びが著しく、一眼レフカメラにも使われるようになったとしています¹。

配線が光をさえぎるので、裏面から光を入れ、回路を下に積む

CMOSイメージセンサの画素は、メタル配線を何層も重ねる分、オンチップマイクロレンズの底からフォトダイオードの受光面までが遠くなり（Stack Height）、CCDイメージセンサに比べて入射角依存性やレンズF値依存性が大きくなります³。

裏面照射型は、シリコン基板を裏返した側から光を入れることで、配線やトランジスタに邪魔されずに単位画素へ届く光の量を増やし、光の入射角が変わったときの感度低下を抑える構造です⁵。表面照射型と比べると、構造や工程から来るノイズ、暗電流、欠陥画素、混色といった画質を下げる課題が生じ、S/N比が落ちる問題がありました⁵。

積層構造はその先にあります。裏面照射型で支持基板が入っていた場所へ信号を演算する回路を作り込んだチップを置いて画素領域と重ね合わせ、画素の側は画質を、回路の側は機能を伸ばすことに絞った製造プロセスをそれぞれ選べます⁶。裏面照射と積層は、光の入れ方と重ね方という別々の工夫です。

高画質を狙うと、汎用ラインの安さは崩れる場合がある

製造コストもよく利点に挙がります。汎用のCMOS製造プロセスをそのまま流用して安く作れる点が利点に挙げられてきましたが、画質を上げる方向へ進んだ現在は、この図式が崩れる場合があります。高画質を狙う場合に使われるPinned Photo Diode構造はCCDの画素構造をほぼそのまま用いていて、作るには新たな工程を加える必要があります³。裏面照射型では、最終配線層より後の製造工程が汎用のCMOS製造工程とはほぼ別物なので、製造工程全体の1/5〜1/4ほどを専用の工程にする必要があります。2011年10月版の解説に載る概算です。

画素欠陥への要求も別格です。金属汚染やプロセスに由来する結晶欠陥から出る白キズについては、汎用のCMOS製造プロセスで許される汚染や欠陥の密度の数百分の一ほどの水準が要ります。メモリで使われる冗長回路の導入は難しいため、全画素の無欠陥も求められます³。

よくある質問（FAQ）

CMOSイメージセンサとは何ですか？

CMOSを用いた固体撮像素子です。CCDイメージセンサと同じくフォトダイオードを使う素子で、違いは製造プロセスと信号の読み出し方です。

CCDとは受光する素子が別物なのですか？

受光する部分は共通です。CMOSイメージセンサもCCDイメージセンサと同様にフォトダイオードを使用し、違いは製造プロセスと信号の読み出し方法にあります。

読み出し方はどう違いますか？

CCDは電荷を一画素ずつバケツリレーのように送って出口のアンプで増幅します。CMOSではフォトダイオードの1つ1つにアンプが付いていて、その場で増幅してから一気に出力します。

なぜ消費電力が小さいのですか？

電源電圧が2.5〜3.3 Vと低いこと、X-Yアドレス読み出し方式のため選んだ画素または行だけを動かせばよいこと、駆動回路や信号を演算する回路を1つのチップへ集積できることの3点です。2011年10月版の電子情報通信学会の知識ベースが挙げる理由です。

速く動くものが歪んで写るのはなぜですか？

通常の画素では、信号電荷をためはじめる時刻と終える時刻が行ごとに1行分の期間だけずれているため、フレームレートが低い場合に速く動いている被写体の再生像が歪みます。この方式をローリングシャッタと呼びます。

歪みを避ける方法はありますか？

グローバルシャッター画素があります。蓄積の開始と終了の時間を全画素で同じにする画素で、画素内にアナログメモリが必要になるため、同じ画素サイズならフォトダイオードの開口率が落ちます。

汎用のCMOS製造ラインでそのまま作れるのですか？

汎用のCMOS製造プロセスをそのまま流用して安く作れる点が利点に挙げられてきたものの、画質を上げる方向へ進んだ状況では、この図式が崩れる場合があります。裏面照射型では製造工程全体の1/5〜1/4程度の専用工程化が要ります。

比較・違いを学ぶ

フォトダイオードとは── 画素の中で実際に光を受けている素子です
CMOSとは── 撮像素子の読み出し側が土台にしている回路方式です

出典

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