イメージセンサー：仕組み、CCD・CMOS技術、用途

動作の仕組み

感光性をもつ半導体領域に光子が当たると、ピクセルと呼ばれる受光素子内に電荷が生じる。各ピクセルは、局所的な光の強度に比例した電子を蓄積する。この電荷はオンチップ電子回路によって読み出され、増幅され、デジタル値へ変換される。重要な指標には、量子効率、飽和電荷量、読み出しノイズ、カラー情報を記録するためのカラーフィルターアレイ（たとえばベイヤーパターン）の使用が含まれる。分光感度およびノイズ特性も参照。

主な技術

現代の撮像では、電荷結合素子（CCD）と相補型金属酸化膜半導体（CMOS）センサーという二つの固体撮像方式が主流である。CCDは従来、チップ上で電荷を共通の増幅器へ移動させていた。一方、CMOSデバイスは各ピクセルの近傍に増幅器または処理回路を配置するため、低消費電力化と高集積化が可能となる。近年の設計上の革新には、集光効率を高める裏面照射型センサーや、検出層と処理層を分離した積層構造がある。

• CCD：多くの実装で、均一な読み出しと低い固定パターンアーティファクトを歴史的に実現してきた。
• CMOS：高速な読み出し、低消費電力、タイミング回路の統合、ピクセルごとの回路を提供する。
• シャッター方式：グローバルシャッターは全ピクセルを同時に露光する。ローリングシャッターは行ごとに順次読み出すため、高速な動きが歪むことがある。

主要な特性

センサー性能は通常、解像度（ピクセル数）、ピクセルピッチ（ピクセルの物理的な大きさ）、ダイナミックレンジ（明部と暗部の細部を捉える能力）、色再現性によって表される。一般に大きいピクセルはより多くの光を集め、低照度下でより良好に機能する。小さいピクセルは、より高い公称解像度またはより小型のセンサーパッケージを可能にする。設計者は用途ごとに、感度、ノイズ、解像度、消費電力の均衡を取らなければならない。

用途と専用検出器

イメージセンサーは、一般消費者向け写真撮影、スマートフォン、監視、産業検査、医用画像、天文学に広く用いられている。専用検出器は同じ原理を別の波長域へ拡張し、熱画像用の赤外線カメラ、放射線撮影におけるX線検出器、研究用の粒子感応アレイなどに利用される。メーカーは高フレームレート、放射線耐性、分光選択性に合わせてセンサーを最適化している。技術資料およびアプリケーションノートも参照。

歴史と動向

初期の光電管や真空デバイスから固体CCD、CMOSチップに至るまで、センサー技術は急速に進歩してきた。ピクセルサイズの縮小、低照度感度の向上、積層型・裏面照射型設計、センサー内ノイズ低減やハイダイナミックレンジ撮影などを可能にするオンチップ演算能力の向上が、現在の動向である。こうした進展は、画像を撮影・解析できる方法と場面を引き続き広げている。