キヤノンサイエンスラボ 光って何?

CMOSセンサーもCCDセンサーと同じく半導体光センサーです。コンピューターのメモリーにも使われているCMOSと同様の構造で、メモリーではトランジスター素子を並べてデータを記録しますが、CMOSセンサーでは受光素子と電気信号を増幅するアンプがたくさん並んでついています。この構造のおかげでCMOSセンサーはCCDセンサーより低い電圧で動作し、読み出しを高速化することが容易。製造に複雑な工程を必要とするCCDセンサーに比べて、CPUやLSIの製造工程を改良した比較的ローコストな製造プロセスが確立されています。

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CMOSセンサーの構造

デジタルカメラの撮像素子といえば、これまではほとんどがCCDセンサーでした。しかしCCDセンサーは消費電力が大きく、データの読み出しスピードが遅いという欠点もあります。そこで注目されているのがCMOSセンサーです。CMOSセンサーは、コンピューターのCPUやメモリーにも使われているCMOSのLSIと同じ構造をしています。たくさんのトランジスター素子を集積したものがLSIですが、このトランジスター素子の部分に「受光素子」と「アンプ」を組みあわせて光センサーとしたのが、CMOSセンサーなのです。受光素子は光を感じると電荷に変え、電荷・電圧変換器で電気信号に変換、さらにアンプで増幅されて出力信号になります。CCDセンサーでは受光素子部分と電荷をバケツリレー式に転送するCCD転送路の部分で別の電源が必要となりますが、CMOS(センサー)はひとつで駆動しますので、低電圧・低消費電力です。またCCDセンサーと比較して電荷読み出しのスピードが速いのも、CMOSセンサーの特徴です。

高画質CMOSセンサーの製造技術

CMOSセンサーのメリットは低電圧、低消費電力というだけではありません。CMOSセンサーの構造はコンピューターのメモリーなどと同じですから、大量生産の製造技術もすでに確立されています。CCDセンサーよりもローコストで大量に製造できるのです。従来CMOSセンサーには高画素化が難しいという欠点がありましたが、これも新たな半導体製造技術によって克服されています。ひとつのセンサーを数回にわけて露光(回路の焼き付け)する「分割露光技術」などによって、現在では2000万画素の大型高画素CMOSセンサーも実用化されています。

イラスト:CMOSセンサー

CMOSセンサーのノイズキャンセル技術

CMOSセンサーには「信号にノイズが出やすい」という欠点もありました。1000万個以上のそれぞれの画素ごとに組み込まれている受光素子やアンプの性能には、どうしてもばらつきが出ます。各画素の性能の微かな違いが、ノイズとなって画像を汚してしまうのです。この問題を解消するために、画像を撮影する前に各画素のノイズのばらつきを記録しておき、撮影して得られたデータからノイズ分を差し引くデータ生成方式が実用化されています。このノイズ除去チップを内蔵することで、CMOSセンサーでもノイズのない信号を読み出すことが可能になったのです。さらに「画素内電荷完全転送技術」により、分子レベルの不規則な揺らぎによるランダム・ノイズの除去も可能になっています。