カメラモジュール CMOS イメージセンサー選択ガイド

イメージセンサーは光信号を電気信号に変換するデバイスであり、デジタルテレビや映像通信市場で広く使用されています。現在、最も広く使用されているのは CCD (電荷結合素子) と CMOS (相補型金属酸化膜半導体) の 2 つです。

その中でも、CMOSは現在最も注目を集めており、最も大きな発展の可能性があると考えられています。

CMOS イメージ センサーは典型的なソリッド ステート イメージ センサーであり、通常はイメージ センシティブ ユニット アレイ、行ドライバー、列ドライバー、タイミング制御ロジック、AD コンバータ、データ バス出力インターフェイス、制御インターフェイスなどの部品で構成されています。これらの部品は通常、同じシリコン チップに統合されています。その動作プロセスは、一般的にリセット、光電変換、統合、および読み出しに分けられます。

AD コンバータ、自動露出制御、不均一性補正、ホワイトバランス処理、黒レベル制御、ガンマ補正などの他のデジタル信号処理回路も、CMOS イメージセンサー チップに統合できます。高速計算を実行するために、プログラム可能な機能を備えた DSP デバイスも CMOS デバイスと統合して、シングルチップのデジタル カメラと画像処理システムを形成できます。

より正確に言えば、CMOS イメージ センサーはイメージ システムとみなされます。実際、設計者が CMOS イメージ センサーを購入すると、イメージ アレイ ロジック レジスタ、メモリ、タイミング パルス ジェネレータ、コンバータを含む完全なシステムを手に入れることになります。

1. MOS管の画素構造

MOSトランジスタとフォトダイオードは、ピクセルに相当する構造断面を形成します。光積分期間中、MOSトランジスタは遮断され、フォトダイオードは入射光の強度に応じて対応するキャリアを生成し、ソースのPN接合に蓄積します（下図の位置①）。

積分期間が終了すると、MOS トランジスタのゲートにスキャン パルスが印加され、MOS トランジスタがオンになり、フォトダイオードが基準電位にリセットされ、入射光の強度に応じた大きさのビデオ電流が負荷に流れます。

MOSトランジスタのソースPN接合は光電変換とキャリア蓄積の役割を果たします。ゲートにパルス信号が印加されると、ビデオ信号が読み出されます。

2. CMOSイメージセンサーアレイ構造

CMOS ピクセル アレイ構造は、水平シフト レジスタ、垂直シフト レジスタ、および CMOS ピクセル アレイで構成されます。

CMOSセンサーアレイ構造

（1-垂直シフトレジスタ、2-水平シフトレジスタ、3-水平走査スイッチ、4-垂直走査スイッチ、5-ピクセルアレイ、6-信号線、7-ピクセル）

前述のように、各 MOS トランジスタは、水平および垂直走査回路のパルス駆動下でスイッチとして機能します。水平シフトレジスタは、水平走査の役割、つまり列をアドレス指定する役割を果たす MOS トランジスタを左から右に順番にオンにし、垂直シフトレジスタは、アレイの行を順番にアドレス指定します。

各ピクセルはフォトダイオードと垂直スイッチとして機能するMOSトランジスタで構成されています。水平スイッチは水平シフトレジスタによって生成されたパルスの作用で順番にオンになり、垂直スイッチは垂直シフトレジスタによって生成されたパルスの作用でオンになり、基準電圧（バイアス）がピクセルのフォトダイオードに順番に適用されます。

3. CMOSイメージセンサーの動作原理とプロセス

CMOSイメージセンサーの機能ブロック図によると、CMOSイメージセンサーのワークフローは主に次の3つのステップに分かれていることがわかります。

CMOSイメージセンサーの機能ブロック図

ステップ 1: 外部光がピクセル アレイを照射し、光電効果を引き起こしてピクセル ユニット内に対応する電荷を生成します。

シーンは、撮像レンズを通してイメージ センサー アレイに焦点を合わせられます。イメージ センサー アレイは 2 次元のピクセル アレイです。各ピクセルにはフォトダイオードが含まれています。各ピクセルのフォトダイオードは、アレイ表面の光の強度を電気信号に変換します。

ステップ 2: 行選択回路と列選択回路を介して操作するピクセルを選択し、ピクセル上の電気信号を読み取ります。

ゲーティングプロセス中、行選択ロジックユニットはピクセルアレイを行ごとにまたは交互にスキャンすることができ、列についても同様です。行選択ロジックユニットと列選択ロジックユニットを併用して、画像のウィンドウ抽出機能を実現できます。

ステップ 3: 対応するピクセル単位で信号処理を実行します。

行ピクセルユニットの画像信号は、それぞれの列の信号バスを介して対応するアナログ信号処理ユニットとA/Dコンバータに送信され、デジタル画像信号に変換されて出力されます。アナログ信号処理ユニットの主な機能は、信号を増幅し、信号対雑音比を向上させることです。

ピクセル電気信号は増幅された後、相関二重サンプリング (CDS) 回路に送られて処理されます。相関二重サンプリングは、高品質のデバイスで干渉を除去するために使用されている重要な方法です。その基本原理は、イメージ センサーが 2 つの出力 (1 つはリアルタイム信号用、もう 1 つは参照信号用) を生成することです。同じまたは関連する干渉信号は、2 つの信号の差によって除去されます。

この方法は、KTCノイズ、リセットノイズ、固定パターンノイズFPN（Fixed Pattern Noise）を低減し、1/fノイズを低減して信号対雑音比を向上させることができます。さらに、信号の統合、増幅、サンプリング、保持などの機能も実現できます。

その後、信号はアナログ/デジタル コンバーターに出力され、デジタル信号出力に変換されます。

さらに、適格品質の実用的なカメラを得るためには、チップに露出時間制御、自動ゲイン制御などのさまざまな制御回路が含まれている必要があります。チップ内の回路の各部分を指定されたビートで動かすには、複数のタイミング制御信号を使用する必要があります。カメラのアプリケーションを容易にするために、チップは同期信号、ライン開始信号、フィールド開始信号などのいくつかのタイミング信号を出力することも必要です。

CMOSイメージセンサーは、小型、低消費電力、低価格、大量生産などの利点があり、イメージセンサー市場の90%を占めています。デジタルカメラ、スマートフォン、自動運転、セキュリティ、モノのインターネットなどの分野で広く使用されており、将来的に大きな市場の可能性を秘めています。

• デジタル カメラ

デジタルカメラの初期の頃は、ほとんどのデジタルカメラで一般的にCCDイメージングが使用されていました。しかし、その後、CMOSが急速に発展し、家庭用一眼レフカメラに欠かせないコンポーネントになりました。

CMOSは色の彩度や質感の点でCCDより若干劣りますが、CMOS処理チップがこれらを補うことができるため、ノイズ低減機構、高速な読み取り速度、省電力など他の面ではCCDより優れています。市場では、多くの高性能SLRが上記の特性を備えています。

• スマートフォン

周知のとおり、モバイル端末はCMOSイメージセンサーにとって常に重要な市場です。デュアルカメラや3Dカメラはスマートフォンに広く採用されており、レンズの追加は携帯電話メーカーが自社の販売戦略と競合製品との差を広げるのに役立ちます。メーカーはカメラモジュールの搭載に積極的に取り組んでおり、特に200万～500万の低画素機能レンズを使用して、自社製品のレンズ数を増やしています。

一般的に、CMOS センサーは、裏面照射型 CMOS センサーと積層型 CMOS センサーに分けられます。

裏面照射型CMOSセンサーは、フォトダイオードと配線層を切り替えて、光が最初に感光性フォトダイオードに入るようにすることで感度を高め、低照度環境での撮影効果を大幅に向上させます。ご存知のとおり、IPhon、Xiaomi、Meizuにはこのようなセンサーが搭載されています。

積層型CMOSセンサーは裏面照射型CMOSセンサーの派生であり、携帯電話のカメラで最も広く使用されている最先端のセンサーで、ソニーの独自技術です。

• オートパイロット

現在、自動車市場は携帯電話に次いで CMOS センサーの 2 番目に大きな応用分野となっています。

自動運転技術の発展に伴い、車載カメラの需要が急速に増加しています。カメラが 1 台増えるごとに CMOS センサーも 1 つ増える必要があり、これが CMOS 市場規模の成長に直接影響します。

Yole Groupの最新予測によると、CMOSイメージセンサーの市場価値は2016年から2022年にかけて1兆4,550億米ドル増加し、自動車用センサー（各種レーダー、センサーなどを含む）の中で最も急速に成長し、最も高い割合を占めるセグメントとなっています。

• セキュリティ分野

セキュリティ監視の分野では、カメラを通じて視覚情報を取得する必要があり、そのためにはCMOSイメージセンサーが必要です。近年、セキュリティ業界と人工知能、ビッグデータ、クラウドコンピューティングなどの技術との深い融合により、セキュリティ監視市場全体の規模は拡大し続けています。2020年の中国のセキュリティ業界の総生産額8510億元のうち、セキュリティプロジェクトは5100億元、セキュリティ製品は2600億元、運用保守・サービス市場は810億元を占めています。今後、セキュリティ業界のインフラがさらに整備されるにつれて、セキュリティ監視分野のCIS市場規模は拡大し続けるでしょう。

• IOT（モノのインターネット）分野

IOTの分野では、画像、顔認識、ビデオ通話などの機能を実現するために、多数の電子ハードウェアデバイスにカメラモジュールを搭載する必要があります。テレビ、スマートスピーカー、ドローン、VR / ARなどの製品。さらに、医療および産業システムでも大量のCMOSイメージセンサーが必要です。現在、医療および科学研究分野では、ほとんどの旧製品を置き換えるために、より低コストでより効果的なCMOSセンサーの使用を模索しています。マシンビジョンの発展に伴い、ますます多くの産業生産ラインがイメージセンサーを導入し、生産効率と品質を向上させるでしょう。

キヤノンCMOSイメージセンサー製品一覧