デジタルイメージセンサーの仕組みを理解する
デジタルイメージセンサーの基礎
分類の方法は異なっても、イメージセンサーの目的は同じで、入射光（光子）を可視化・解析・保存可能な電気信号へ変換します。イメージセンサーは固体素子であり、マシンビジョンカメラを構成する最重要部品の一つです。毎年、サイズ、解像度、速度、感度が改良された新しいセンサーが登場します。本記事では、マシンビジョンカメラに使われるイメージセンサー技術の基本と、その分類との関係を解説します。
目次
イメージセンサーの構成
下図は一般的なCMOSイメージセンサーです。センサーチップは保護ガラス付きパッケージに実装され、基板（PCB）へはコンタクトパッドで接続されます。
補足
センサーは用途によりさまざまなパッケージで提供されます。上写真はセラミックPGAパッケージの例です。
上図：CMOSイメージセンサーの模式図
固体撮像素子であるセンサーチップは、感光素子とマイクロレンズ、微小電子回路で構成されます。チップは半導体メーカーによりウエハから製造・ダイシングされます。ワイヤボンドはダイから背面のコンタクトパッドへ信号を引き出します。パッケージはチップとワイヤを物理・環境ストレスから保護し、放熱と信号インターフェースを担います。前面の透明窓（カバーガラス）は光を感光部へ通しつつチップとワイヤを保護します。
シリコンウエハからのイメージセンサー
センサーのダイはシリコンウエハ上に大量生産されます。ウエハは多数のチップに切り分けられ、各チップが1個のセンサーダイを収めます。ダイサイズが大きいほど1枚のウエハから得られる個数は減り、一般にコストは上がります。ウエハ上の単一欠陥は、大型センサーほど歩留まりに影響しやすくなります。
上図：ウエハから精密切断でセンサーダイを取り出す工程
補足
シリコンウエハから個々のセンサーになるまでの製造には、数か月を要する場合があります。
カメラ内でのセンサー機能
カメラシステムでは、レンズなどの光学系で集光された入射光（光子）がイメージセンサーに届きます。CCDかCMOSかにより、次段へは電圧信号またはデジタル信号として受け渡されます。CMOSは光子を電子に変換し、電圧を経てオンチップのA/Dコンバータ（ADC）でデジタル値に変換します。
上図：一般的なCMOSカメラのレイアウト
メーカーにより構成や部品は異なりますが、目的は光をデジタル信号に変換し、解析や制御につなげることです。コンシューマーカメラは記録媒体、液晶表示、ダイヤル類などを備えますが、マシンビジョンカメラでは不要です。
CCD と CMOS の違い
CCDセンサー（Charge-Coupled Device）は全画素が同時に露光開始・終了するグローバルシャッターです。蓄積電荷は水平シフトレジスタを介して読み出され、フローティング拡散増幅器へ送られます。注：Sonyは2015年にCCDの生産終了計画を発表し、2026年までにサポートを終了する見込みです。
CCDの特性：グローバルシャッター、低ノイズ、高ダイナミックレンジ、中程度のフレームレート、スミアが発生しやすい。
従来、CMOSセンサー（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）は行単位で露光を開始・終了するローリングシャッターが主流でしたが、現在はグローバルシャッターモデルも広く提供されています。CMOSは列ごとの小型ADCによりCCDより高いフレームレートを実現します。改良が重ねられ、最新のCMOSは画質、速度、コストの面でCCDに匹敵または凌駕します。
最新CMOSの特性：グローバル／ローリングの両方式、低〜極低ノイズ、高〜非常に高いダイナミックレンジ、非常に高いフレームレート、スミアなし。
モノクロとカラーセンサー
可視域センサー（赤外・UV・X線を除く）は大きくモノクロとカラーに分かれます。カラーはマイクロレンズ下にカラーフィルター層を持ち、不要な波長を吸収して各画素を特定色に感度化します。モノクロにはカラーフィルターがないため、各画素は可視域全体に感度を持ちます。
左：モノクロ画素面 右：ベイヤーパターンのカラー画素面
上図右のカラー例ではベイヤーフィルターを採用し、緑50%、赤25%、青25%の配列です。多くのカラーセンサーはベイヤーですが、他の配列やRGB比率も存在します。
補足
特に小画素のセンサーでは、フォトダイオードに光を集めるためマイクロレンズを追加する場合があります。
センサーフォーマット（サイズ）
イメージセンサーにはフォーマット種別（光学クラス、センサーサイズ、タイプとも呼称）とパッケージの違いがあります。解像度と画素サイズがセンサー全体のサイズを決め、一般に大型センサーは高解像度または大画素です。適切なレンズ選定のためにフォーマットの把握は不可欠で、レンズは対応フォーマットと解像度に合わせて設計されています。なお、フォーマットはチップの撮像面積を指し、パッケージ全体を意味するものではありません。
上図：センサーフォーマット（左から）1/6、1/3、2/3、1 インチ
以下は2/3インチ型に分類されるCMOSセンサーの例ですが、実際のダイ対角は0.43インチ（約11mm）です。現在の「インチ型」は実対角を示していません。これはビデオカメラ用撮像管の慣習に由来し、インチ表記は管の外径を指していました。下表に一般的なフォーマット種別と実対角（mm）を示します。
補足
旧来のビデオ撮像管の例です。現代センサーのフォーマット分類は、この管の外径に由来しています。
センサーフォーマットと実サイズ
| Image Sensor Format (Type) | 1" | 2/3" | 1/1.8" | 1/3" |
| Image Sensor Diagonal (mm) | 16 mm | 11 mm | 8.9 mm | ~6 mm |
画素サイズ
画素サイズはµm（マイクロメートル）で表し、フォトダイオードと周辺回路を含む領域の大きさです。一般的なCMOS画素はフォトダイオード、アンプ、リセットゲート、トランスファーゲート、フローティング拡散で構成されます。これらの素子は画素間で共有される場合もあります。下図はCMOSモノクロおよびカラー画素の簡略レイアウトです。
上図：CMOSモノクロ／カラー画素の簡略レイアウト
一般に、画素が大きいほど受光面積が広くなり感度は向上します。同一フォーマットで解像度を上げると画素は小さくなります。感度低下の懸念は、画素構造やノイズ低減技術、画像処理の進歩で緩和されています。感度を正確に把握するには、分光感度（量子効率）や他の性能指標を参照してください。
モノクロ／カラーの分光感度
モノクロとカラーの構造差、メーカーの技術や画素構造の違いにより、光に対する感度はセンサーごとに異なります。感度を把握するには分光感度（量子効率）チャートの確認が有効です。
下の2つのチャートは同一センサーのモノクロ版とカラー版です。横軸は波長（nm）、縦軸は量子効率（%）です。多くのマシンビジョン用カラーカメラは近赤外を遮断するIRカットフィルターを搭載し、IRノイズや色ずれを抑えて人間の視感に近づけます。IRカットを外す方が有利な用途もありますが、カラーはモノクロほどの感度にはなりません。
上図：同一センサーファミリの分光感度例（左：モノクロ、右：IRカットなしカラー）
量子効率が高いほど、光を効率良く捉えられます。上記チャートはEMVA 1288の測定規格に基づく結果の一例です。EMVA 1288は測定・表示方法を規定し、ベンダー間の比較を容易にします。詳細はEMVA 1288 のサイトをご覧ください。
グローバルシャッターとローリングシャッター
シャッター方式は重要な仕様で、グローバルシャッターとローリングシャッターの2種類があります。カメラや被写体が動く場合、動作と画像結果に違いが生じます。以下で仕組みと影響を解説します。
グローバルシャッターのタイミング
左図はグローバルシャッターの露光タイミングです。全画素が同時に露光開始・終了し、読み出しは行単位で行われます。歪みの少ない画像が得られ、高速移動体の撮像に適します。
ローリングシャッターのタイミング
左図はローリングシャッターの露光タイミングです。行ごとに露光・リセット・読み出しが時間差で進みます。被写体やカメラが動くと歪みが生じますが、静止体や低速対象には高感度で有効です。
まとめ
マシンビジョンカメラの世界を学び始める方に向け、センサー分類と基本概念を概説しました。用語と技術を理解すると、用途に適したカメラを的確に選定できます。たとえば画素サイズやセンサーフォーマットはレンズ選定にも直結します。新しいセンサー技術が登場しても、自分の用途に有益かどうかを判断しやすくなります。導入のご相談は、知見豊富なLUCID の営業担当までお問い合わせください。
