Sony Pregius CMOSセンサー：画像品質をさらに向上
概要
初代Pregius IMX174の成功を受け、Sonyは従来のCCDから脱却し、より高度なCMOSの開発に注力しました。第2世代Pregiusには3.2MPのIMX265と5.0MPのIMX264が含まれます。初代（1/1.2型・画素5.86μm）に対し、第2世代は2/3型・画素3.45μmに小型化。対応レンズの選択肢が広がり、コスト効率も向上しました。STARVISに代表されるローリングシャッター技術の改良が進む一方で、グローバルシャッターの性能と価値の頂点は引き続きSony Pregiusです。
毎年の新技術投入とともに、Sonyは画質向上・フレームレート向上・機能追加を継続しています。ユーザー視点の設計で、低コストかつ直感的に使える革新を提供。SonyのPregius思想を核に、LUCIDは性能と使いやすさの両立を追求します。PregiusグローバルシャッターCMOSを採用したマシンビジョンカメラの利点を理解するため、まずSonyのデジタルイメージング技術の基本を押さえます。
Pregius以前：ローリングシャッターCMOSの動作
Pregius登場以前、SonyのCMOSはローリングシャッター方式でした。CCDに比べ、ローリングシャッターCMOSは高画質と高速性を低コストで両立しますが、被写体やカメラが動くと、歪み（ワブル、スキュー、バンディング）が発生します。これは行ごとに露光・読み出しするためです。以下に従来のSonyローリングシャッターパイプラインを示します。
補足
超高速検査が不要な用途では、ローリングシャッターCMOSは高いコスト効率を提供します。
低速搬送検査、ライフサイエンス、監視などで有効です。
上図：従来のSony CMOSローリングシャッターピクセルパイプライン
上図はローリングシャッターCMOSの簡略パイプラインです。光電変換（量子効率で評価）はフォトダイオードで行われ、電子はフローティング拡散で電圧に変換されます（電圧＝電荷q／容量C）。その後デジタル変換されます。この過程でアナログ／デジタル双方でCDSを2段適用し、ランダムノイズと固定パターンノイズを低減します（Sonyの「Dual CDS」）。
上図：列並列A/Dによるローリングシャッター読み出し
各画素列に独立ADCを備え、高速読み出しを実現します。行ごとに露光し、電荷を順次A/D変換へ送るため、高速動体では行単位のタイミング差が歪みの原因になります。
補足
SonyはローリングシャッターCMOSを継続的に拡充しています。主なファミリ：
• Exmor
• Exmor R
• Exmor RS
• STARVIS
最新のSTARVISは低照度感度に優れます。
CMOSの進化：Sony PregiusグローバルシャッターCMOS
SonyはグローバルシャッターをCMOSで実現するため、フォトダイオードとフローティング拡散の間に画素内アナログメモリを実装しました。Pregiusでは全フォトダイオードが同時に露光を開始し、露光終了後に電荷をアナログメモリへ転送して、次の露光に備えます。その後の処理はローリングシャッターと同様です。これにより、Dual CDSを活かしつつ、歪みのない画像を取得できます。
上図：Sony Pregius CMOSグローバルシャッターピクセルパイプライン
電荷はフォトダイオードからアナログメモリへ高速転送されます。CCD設計の知見を活かし、低暗電流のアナログメモリを画素内の遮光された低暗電流領域に配置。ダークショットノイズを抑制します。
補足
IMX264／IMX265では画素ピッチを5.86μmから3.45μmへ縮小しつつ、独自プロセスにより高い感度・広いダイナミックレンジ・高S/Nを維持しています。
上図：Sony Pregius グローバルシャッター読み出し
アナログメモリにより、フォトダイオードは同時に露光・読み出しが可能。Dual CDSの適用で低ノイズかつ高画質を実現します。
下図：グローバルシャッターとローリングシャッターの比較動画
動体撮影の比較。右側のローリングシャッターでは歪みが生じる様子が分かります。
低ノイズ：SonyのデュアルCDS（相関二重サンプリング）
SonyのCMOSはA/D前後のアナログ・デジタル双方でCDSを適用し、ノイズを低減します。
アナログ段では各フローティング拡散に「リセットスイッチ」を設け、前露光の残留電荷を排出しますが、一部の電子は残留し次露光と混ざって固定パターンノイズの原因となります。CDSは残留分を測定し、次の信号から差し引くことでノイズを抑制します。
上図：30 dBゲイン時の固定パターンノイズ（FPN）
上図：列並列A/D前のアナログCDS
前露光の残留成分を測り、次の露光信号から差し引きます。
上図：A/D後のデジタルCDS
リセットレベルと信号レベルを読み分け、デジタル減算で列間ばらつきを打消し、ノイズを低減します。
次世代のイメージング結果
PregiusはSonyの最新画素プロセスにより高感度を実現。低照度感度と広いダイナミックレンジにより、屋外や照明条件が変化する環境でも有効なデータを取得できます。自動運転、ITS、屋外監視などでは、影とハイライトが混在するシーンでも有用情報をより多く捉え、判断精度向上に寄与します。従来の外観検査でも、高感度により露光短縮＝タクト短縮や照明コスト削減が期待できます。
| 第2世代 Pregius の特長 | ユーザーへの利点 |
|---|---|
| グローバルシャッター | 動きによる画像の歪みを除去。画像のブレや傾き、バンディングのない高速撮影が可能。 |
| 2/3型および1/1.8型センサー（3.45µmピクセルサイズ） | 小型でコスト効率の高いレンズが使用可能。 |
| 高い量子効率 | 光に対する感度が高く、低照度環境に有利。短い露光時間や低照明条件でも撮影可能。 |
| 非常に低い時間的暗電流ノイズ | 低照度環境でもよりクリアな画像を提供。ノイズが低いため、ゲインや明るさを上げてもノイズの増加を抑制。 |
| 高いS/N比（信号対雑音比） | 高S/N比により画像の明瞭度が向上。撮影時間の短縮にも貢献。 |
| 高ダイナミックレンジ | 複雑な影やハイライトが混在する難しい照明環境下でも高品質な画像を取得。暗部や明部の細部をより多く捉えることが可能。 |
まとめ
CCD開発を牽引してきたSonyは、その高品質なグローバルシャッター技術を革新的なCMOSへ展開しました。回路／画素プロセスの進化により、画素小型化と高解像度化を進めながら感度を確保。現行のPregiusは先行世代より高感度・低ノイズで、焦点面歪みのない高画質・高解像・高速撮像を実現します。Dual CDSによるノイズ低減と合わせ、要求の厳しい多様なビジョン用途で業界トップクラスの性能を提供します。Sony Pregiusを採用したLUCIDのカメラは、品質と性能を基盤に、優れた汎用性を提供し続けます。
PregiusおよびPregiusロゴはSony Corporationの商標です。
