CMOSセンサーってなに？CCDとの違いなどを解説！｜機電系エンジニア専門の求人情報サイト

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CMOSセンサーってなに？CCDとの違いなどを解説！

2024年8月8日更新

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この記事を書いた人

「FREE AID」編集部：長谷川

大手メーカー「コマツ」、「オムロン」などで7年間、アナログ回路エンジニアとして設計・評価業務に従事。
ECU、PLCなどのエレキ開発経験を多数持つほか、機械商社での就労経験も有する。
株式会社アイズ運営の機電系フリーランスエンジニア求人情報「FREEAID」専属ライターとして、
機電分野の知識と実務経験を活かし、専門性の高い記事執筆を行っている。

カメラなどの撮像素子に使われるCMOSセンサー。最近は特によく使われるようになりましたが、どんな特徴を持つか気になる方も多いのではないでしょうか。そこで本記事では、 CMOSセンサーの特徴や、もう一つの撮像素子であるCCDセンサーとの違いについて解説します。

この記事の目次

CMOSセンサーとは

CMOSセンサーとは、私達が普段見ている景色をデジタルデータに変換し、保存するイメージセンサーの一種です。各画素に「CMOS（補完型MOSFET）」構造の半導体スイッチを配置していることから、CMOSセンサーと名付けられました。

CMOSセンサーはイメージセンサーの中でも歴史が浅く、1990年頃に実用化が始まりました。開発当初はCCDセンサーより性能が低かったため用途は限られていましたが、最近は技術発展により性能が向上したことから、CMOSセンサーの方が主流になりつつあります。

CMOSセンサーの仕組み

それでは、CMOSセンサーの仕組みを解説していきましょう。まず、レンズの先に小さなフォトダイオードの素子を連ねた部品を配置し、光を電気信号（電荷）に変換します。変換された電荷はフォトダイオード内に保存されるので、変換後に各素子の電荷を全て取り出せば、どの場所にどんな光が入ったかがデータ化できます。

ここまではイメージセンサーとして共通の構造ですが、CMOSセンサーでは電荷を取り出すため、各素子に搭載されたCMOSスイッチを使うのが特徴です。画像処理ICがCMOSスイッチのON/OFF制御を順番に行うことで、電荷を順番に取り出していくのです。

また、CMOSセンサーにはスイッチと共に増幅器も設置されているため、電荷は適切な量に増幅された状態で流れていきます。画像処理ICは、受信した信号がどの画素のものかを認識しているので、一連の信号により入射した光をデータとして再現できることとなります。

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CCDセンサーとの違い

続いて、もう一つのイメージセンサー、CCDセンサーがCMOSセンサーとどのように異なるか解説します。CCDセンサーがCMOSセンサーと異なるのは、フォトダイオードから電荷を取り出す方法です。CMOSセンサーは各素子のスイッチを使って一つずつ電荷を取り出しますが、CCDセンサーは複数の素子を連結し、バケツリレーのように電荷を受け渡す形を取ります。

この方法は、CCDの電極に適切な形で電圧を与えると、素子に蓄積された電荷が隣の素子に移動する性質を活用しています。つまり、電圧を印加する度に端部の素子から一つずつ電荷が取り出せるのです。そのため、CCDセンサーは素子ごとのスイッチが不要であり、また増幅器も一連の素子ごとに1つしか搭載されていません。

CMOSセンサーのメリット

電荷の取り出し方が異なるCCDとCMOSセンサーですが、CMOSセンサーの方が仕組み上多くのメリットを持っています。主なメリットを3つ紹介します。

消費電力が少ない

CCDセンサーは、電荷をバケツリレーするためにある程度の高電圧を与える必要があるため、一定量の電力消費が発生します。一方、CMOSセンサーはスイッチ操作で電荷を取り出すため、ほとんど消費電力を必要としません。そのため、CMOSセンサーはCCDと比べると消費電力を抑えられます。また、消費電力が低いと発熱も少なくなるので、結果的に熱ノイズが少なくなり、画質の向上にもつながります。

読み込み速度が速い

CMOSセンサーは読み込み速度が速いのも特徴です。バケツリレー方式は電荷の移動速度が遅いので、CCDセンサーはどうしても読み込み速度が制限されます。しかし、CMOSスイッチを使った方法であればスイッチング制御を高速化するだけで読み込み速度が向上するので、CCDセンサーより速い読み込みを実現できます。

ブルーミングやスミアが発生しない

CCDカメラでは、太陽などの輝度が強すぎる光が入ると、画像に縦向きで光の線が入る「スミア」や、光の周囲にぼやけたような光の縞が入る「ブルーミング」が生じるというデメリットを持っています。これは、電荷をバケツリレーする際に生じる現象なので、CMOSセンサーを使えば生じなくなり、より良い画像が撮影できます。

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CMOSセンサーのデメリット

メリットの多いCMOSセンサーですが、CCDセンサーと比べると画質が悪くなりやすいというデメリットもあります。最も大きな原因は、増幅器の性能ばらつきによって生じる「固定パターンノイズ」です。これは、増幅器など、フォトダイオードから電荷を取り出す回路の性能が製造ばらつきを持っているため生じるノイズです。

CMOSセンサーはCCDと違って素子ごとに回路があるため、製造ばらつきの影響も大きくなり、開発における大きな障害となっていました。しかし、最近はノイズを打ち消す技術が進歩しており、画質に与える影響は日に日に小さくなっています。その結果、CMOSセンサーの画質はCCDに近づいているため、デメリットでは無くなりつつあると言えるでしょう。

まとめ

今回は、イメージセンサーの一つであるCMOSセンサーの仕組みや特徴、CCDセンサーとの違いについて解説しました。CMOSセンサーはCMOS構造の半導体スイッチを搭載しているのが特徴で、CCDセンサーより読み込み速度の速さ、消費電力の少なさなどが優れています。

かつては画質が悪かったため限定的な用途でのみ使われていましたが、近年は画質が向上しつつあり、CCDセンサーの代替として主流のセンサーになりつつあります。さらなる高性能化や微細化についての開発も進んでいるため、利用の幅はさらに広がっていくでしょう。

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