過去に手持ちのデジタルカメラで撮影した画像データを見ていると、その時の記憶や思い出がありありと記憶に蘇るものです。
これは、ひとえに現在のデジタルカメラの高画質によるところが大きいでしょう。
それを支えるのがイメージセンサです。
イメージセンサとは、いわばデジタルカメラの心臓部。
近年では性能の向上や小型軽量化がますます進み、スマートフォンやミラーレス式カメラなどに搭載されるようにもなりました。
高額なカメラを買わずとも、気軽にカメラライフを楽しめますね。
この記事では、そんなカメラの高画質を支えるイメージセンサについて、どのようなものか、仕組みや構造を徹底解説いたします！
1. イメージセンサとは？
イメージセンサとは、デジタルカメラやスマートフォンのカメラ機能で使われる半導体センサです。カメラのレンズから入射した光を電気信号に変換し、データ転送を行う、という原理となります。
画像を撮影するための撮影素子に使われるもので、いわばカメラの心臓部。
出来上がりの写真の画質を大きく左右しており、現代のカメラの性能向上はイメージセンサが担うところは少なくありません。
開発は1969年のことです。
情報通信・メディア産業の大手コングロマリット「AT&T」の前身であるThe American Telephone & Telegraph Companyの、ベル研究所の職員であったウィラード・ボイル氏とジョージ・E・スミス氏によって発明されました。
ちなみに1948年のトランジスタの発明者も同研究所から輩出されています。
両氏はこの発明によって2009年にノーベル物理学賞を受賞しており、「光のマイスター」とも称されました。
ちなみにこの機構を撮影素子として活用する、というアイデアは世界各国で採用され、研究が進みましたが、最終的に初めて白黒カメラとして市販化に成功させたのは現在の世界的電機メーカーであるP社です。
1979年のことでした。その後大手電子部品メーカーのS社がカラーカメラで市販化させ、大量生産も促進。
1990年には、市販されるほとんどのカメラに搭載されることとなりました。
冒頭でも述べましたが、改良や製造数の向上が飛躍的に進み、カメラを「運動会や旅行といったハレの日の思い出を記録するもの」から「日用品」へと昇華させました。
インスタグラムやフェイスブックといったSNSも、あるいはイメージセンサがなければここまで発展はしなかったでしょう。
次項で仕組みについて詳しく解説いたします。
2.イメージセンサの仕組み
イメージセンサは光センサのうちの一つで、光の強度だけを検出・電気信号に変換する光量センサとなります。
撮影プロセスは受光⇒電荷蓄積⇒電荷転送⇒電荷検出が基本です。
この受光・電荷蓄積を担うのがpn接合フォトダイオードです。
イメージセンサにはこのフォトダイオードがセル状に規則正しく並んでおり、それぞれがレンズから入射した光を受光・電気信号に変換させます。
フォトダイオードの他に、イメージセンサにもう一つ欠かせない素子があります。
電荷転送・電荷検出を行う、CCDまたはCMOSという半導体(MOS)です。
他の素子や方式が採用されることもありますが、現在の主流はこのCCDかCMOSとなります。
CCDまたはCMOSをどう使うかによって、画質の高さはかなり異なります。
また、この素子が大きい方が光を集めやすく電気信号に変換しやすいため、精密な色合いといった情報がより細やかとなり、結果として画質が高くなります。
それぞれについてご紹介いたします。
① pn接合フォトダイオードとは
ダイオードと聞くとLEDなどが思い浮かぶかもしれませんが、フォトダイオードはその逆。光を発するのではなく、光を受け取って作用する半導体です。
どうイメージセンサ内で作用するのかご説明いたします。
フォトダイオードに光が入射すると、p型とn型の接合部のところに電子と正孔のペアが発生します。
この電子の方はn型半導体へと移動し、正孔の方はp型半導体に向かいます。
この状態のダイオードの両極を繋ぐと電流が流れる、という仕組みです。
電流の量は光の量に応じます。
これによって電荷が蓄積され、次のプロセスへの動力となります。
② CCDとは
先ほど「光のマイスター」としてご紹介したウィラード・ボイル氏とジョージ・E・スミス氏が発明したのが、このCCD式です。
Charge Coupled Deviceの略称で、その名の通り実装するコンデンサにフォトダイオードから流された電荷(信号)を蓄積し、その電荷を隣り合った素子(MOSキャパシタ)に一列ずつリレーのように順番に渡していくスタイルです。
搭載される全てのダイオードから送られた素子は、それぞれのコンデンサが受け取り、順次転送していきます。
そのため、信号転送方式とも呼ばれます。
信号はそれぞれで送られてきますが、最終的には一本通された水平伝送路を通り、さらに増幅器を通って所望の電圧に変換・増幅された後、カメラに撮影したデータとして処理されます。
一個一個の信号処理なうえに、全ての電荷が水平伝送路に到達するまで次のアクションを待たなくてはならないため、非常に時間がかかります。
また、消費電力が多く、製造にもコストがかかります。
一方で画質は大変良いため、デジタル一眼レフカメラと言った、高級機に主に採用されてきました。
なお、CCDはデジタルカメラの専用撮影素子として扱われることがありますが、実際はビデオカメラやファクシミリなど、幅広い分野で活躍しています。
③ CMOSとは
CMOSとは、Complementary Metal Oxide Semiconductorの略で、相補性金属酸化膜半導体という意味です。
新世代のトランジスタとして、集積回路やLSIなど現在多くの電子回路で採用されつつある半導体の一種です。
p型のMOS FET(電界効果トランジスタ)とn型のMOS FET両方が採用されたハイブリッド型で、セルごとにMOS FETが設置されており、低ノイズで電荷の増幅・スイッチングによる信号転送をそれぞれで行えるということが何よりの特徴です。
アドレス式とも呼びます。
セルは行で分かれており、それぞれ行ごとに垂直信号線に転送・走査。
さらに行ごとのスイッチング素子により水平信号線へ転送された後、カメラに撮影したデータとして処理されます。
CCDと異なりデータ処理を一つひとつで待たなくていいためとても高速です。
さらに大量生産しやすく比較的安価。
セルごとに電荷を増幅しているので不要な電荷が発生するということがなく、スミア(強い光を当てるとその部分だけ写真が白くなってしまうこと)という現象が発生しづらいことも大きなメリットです。
一方でセルごとに増幅器を持つこととなり、各素子の特性の差によって精度・性能にばらつきが出やすい、というデメリットも持ちます。
また、セルごとに処理するということは高速に動いている物体を撮影すると、進行方向に向かって像が歪んだり(フォーカルプレーン歪み)、ストロボといった短時間の発光によって画像に明暗ができてしまったり(ローリングシャッター)するデメリットが存在する、ということを意味します。
しかしながら最近のCMOSイメージセンサの改良には目覚ましいものがあります。
構造の工夫によって、ノイズ発生量が減少したり、受光感度が向上したりして、画質の高さはもちろん、光があまりない場所でもキレイな写真が撮りやすくなった、と言われてきました。
メーカーによっては高価なCCD搭載カメラとの性能の違いはごくわずか、といったものまであるほどで、CMOSの方が高いシェアを誇ります。
このCMOSイメージセンサのアップデートの一例として、大手電子部品メーカーのS社の裏面照射型CMOSを挙げます。
従来のCMOSイメージセンサの構造はやや複雑です。
セルがそれぞれ存在し、それぞれで電荷蓄積⇒増幅⇒電荷転送といったプロセスを踏まなくてはならないためです。複雑な構造は光の入射を妨げる大きな要因となります。
そこでS社は回路の基板(ウェハー)に着目しました。
ウェハーの裏面にフォトダイオードを設置し、裏面全体を使って受光に充てる、とした仕様です。「そんなことできるの？」と思います。
非常に難易度の高い製造方法です。
ウェハーは通常、裏側は加工できません。
そのため別の基板をウェハーに貼り付け、そこを起点として受光のために使う、という発想を行ったのです。
アイデアがあっても、厚みが出てしまったり不均一になったりしては本末転倒です。そこを克服し、市販化に成功したのだから、さすがイメージセンサの黎明期から開発研究してきたS社だけありますね。
ちなみにスマートフォンにイメージセンサを搭載させたのもS社であり、S社子会社の通信機器メーカーでは、携帯電話としては驚くべきような画素数のイメージセンサを新作スマートフォンに順次採用しています。
また、性能の良さは画質の高さに留まりません。
様々な付加機能が搭載されており、例えばイメージセンサにメモリを搭載することでデータ読み出し速度を5倍まで高めたり、
インカメラにまで高画素数を採用したり、
1秒間に1000フレームなどといった超高速なハイビジョン画像の撮影が可能になったりと、
より使って楽しいデバイスへ年々進化が繰り返されています。
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