グローバルシャッターとは

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グローバルシャッターとは、画素の面を一括で露光してから出力する方式です。 被写体の全体を同時に取り込むため、動く相手でも形が保たれます。代わりに画素ごとに電荷を預ける場所と追加のトランジスタが要り、感度と暗電流で代価を払います。高速の検査やナンバープレートの読み取りのように、動く被写体の形を正しく写す用途で選ばれる方式です。

線ごとに露光すると時刻がずれ、速い被写体が歪む

CMOSイメージセンサーには、光を線順次に露光しながら出力するローリングシャッター方式と、面一括で露光して出力するグローバルシャッター方式があります¹。ローリングは順に取り出すぶん行ごとに露光の時刻がずれるため、ソニーセミコンダクタソリューションズは、高速で動く被写体を撮像すると画像が歪むことがあるとしています。グローバルについて同社は、被写体の全体を同時に取り込んでから出力するため、高速で動いている被写体でも画歪みがなく実態通りに記録されるとしています。

動く棒をどう写すか

ローリングでは下の行ほど遅れて露光するので、右へ動く棒が斜めに歪んで写ることがあります。グローバルでは全行が同じ瞬間を写すので、棒はまっすぐに残ります。

画素ごとにメモリー部を持ち、全画素の電荷を一斉に移す

ソニーセミコンダクタソリューションズのPregiusの画素は、低ノイズ特性を持った受光部（フォトダイオード）に加えてメモリー部を備えます¹。全画素の各フォトダイオードで同時刻に受光した光を電荷に変換し、一斉に各メモリー部へ転送した後に、信号として読み取ります。露光をそろえても、読み出しまで同時になるわけではありません。Baslerは、グローバルシャッターでは全画素が同時に露光を始めて同時に終え、終了直後から1行ずつ読み出しが進むとしています²。メモリー部は、この読み出しの順番待ちの間、各画素の電荷を預かる場所です。

露光と読み出しのタイミング

ローリングは行ごとに露光がずれ、全行がそろって露光するのは重なった区間だけです。グローバルは全行の露光を同時に終え、電荷をメモリー部に預けたまま1行ずつ読み出します。

読み出しの速さは、行の数と変換回路の並べ方で決まります。Baslerによると、センサーの読み出し時間は全行の読み出し時間の和なので、画像のROI（関心領域）の高さに左右されます²。ソニーのPregiusも画面の一部領域を指定して記録する機能を搭載しており、送る行を絞れば、さらに速く回せます。並列に動かすことも速さの鍵で、同社はA/D変換回路を水平方向に数千個並べて同時に動作させることで高速化を実現しました。

全行が同時に露光するので、照明の同期が楽になる

ソニーは、マシンビジョン検査などでフラッシュとの同期をさせやすく、タクトタイム向上が図れるとしています¹。同社は、生産ラインでのマシンビジョンによる高速で高精度な画像検査を可能にし、生産性の向上に大きく寄与するとしています。ローリング方式で同じことをするには工夫が要ります。浜松ホトニクスが示す同期の方法では、照明を全行が露光している間だけ点け、ローリングの読み出し中は消します³。ローリングでは、照明を当てられる時間が全行の露光が重なる区間に限られます。

2×2の画素ごとに露光の時刻をずらせば、4枚だけ超高速に撮れる

露光の時刻は、画素単位で動かすこともできます。ソニーは、2×2の4つの画素単位で個別にシャッタータイミングと露光時間を設定できるとしています¹。個別に設定した画素を4つのグループとみなし、タイミングをずらして撮像した4枚に限って、超高速での撮像を実現できるとしています。

4つのグループで時刻をずらす

2×2の画素単位の4画素を別々のグループにし、露光の時刻をずらして4枚の画像を短い間隔で撮ります。

裏面照射で速さと微細化を、積層で画素と回路の分離を得る

ソニーは、Pregius S技術が裏面照射構造の導入によりフレームレートの高速化を実現するとし¹、裏面照射構造の第一のメリットは光の入射角を広く取れる点で、この特性を用いて画質を維持したまま画素を微細化できるとしています。同社は、画素ピッチ2.25μmのIMX900を挙げ、Sマウント（M12）に対応できる小型光学サイズで高解像度を実現し、小型化と高速化が進むコードリーディング用途に向くとしています。

同社は、積層構造では画素部分と回路部分でそれぞれ最適な製造プロセスを採用できるとしています⁴。

歪まないかわりに、追加のトランジスタが感度と暗電流を悪くする

面一括で露光すれば動く被写体でも歪まず、フラッシュとも同期しやすくなります。その代わり、浜松ホトニクスによると、グローバルシャッターの読み出しには画素ごとに追加のトランジスタが要り、この画素設計と動作が量子効率（QE）を下げ、暗電流を増やします³。ソニーは、高速で走行中の車両のナンバープレートを識別するには、高速シャッターと読み出しに対応するグローバルシャッター方式が適しているとしています。動きを画素単位の変化だけで捉える別のやり方には、イベントベースセンサーがあります。

よくある質問（FAQ）

グローバルシャッターとは何ですか？

画素の面を一括で露光して出力する方式です。全画素が同時に露光を始めて同時に終え、その後に1行ずつ読み出します。

ローリングシャッターとは何が異なりますか？

ローリングは、光を線順次に露光しながら出力する方式です。行ごとに露光の時刻がずれ、全行がそろって露光するのは重なった区間だけです。

どんな問題が起きますか？

ローリングでは、高速で動く被写体を撮像すると画像が歪むことがあります。行ごとに露光の時刻がずれるので、動く物の形が傾いて写ることがあります。

グローバルなら歪みは出ますか？

ソニーは、被写体の全体を同時に取り込んでから出力するため、高速で動いている被写体でも画歪みがなく実態通りに記録されるとしています。

画素はどんな構成ですか？

低ノイズ特性を持った受光部に加えてメモリー部を備え、全画素で同時刻に受けた光を一斉に各メモリー部へ転送します。浜松ホトニクスによると、この読み出しには画素ごとに追加のトランジスタが要り、量子効率が下がって暗電流が増えます。

どうやって速くしていますか？

ソニーは、A/D変換回路を水平方向に数千個並べて同時に動作させることで高速化しました。読み出し時間は全行の読み出し時間の和なので、ROIの高さを絞っても速くなります。

検査の現場では何が利点ですか？

ソニーは、マシンビジョン検査などでフラッシュと同期させやすく、タクトタイム向上が図れるとしています。全行が同時に露光しているので、照明を当てる時間を露光に合わせやすくなります。

比較・違いを学ぶ

CMOSイメージセンサーとは── 2 つの方式を持つ素子
裏面照射とは── 受光面を広げる構造
積層型イメージセンサーとは── 回路を裏へ回す構造
画素ピッチとは── 面積の取り合いの指標

出典

4件を表示

1
ソニーセミコンダクタソリューションズ：グローバルシャッター画素技術 Pregius / Pregius Ssony-semicon.com a b c d e
2
Basler：Electronic Shutter Typesdocs.baslerweb.com a b
3
浜松ホトニクス：Synchronization（SCAS0098E）hamamatsu.com a b
4
ソニーセミコンダクタソリューションズ：積層構造sony-semicon.com ↩