5分でわかるデジタル家電のABC

デジタル家電の技術 Vol.003

デジタル家電の技術 Vol.003
【イメージセンサ（撮像素子）CCD】
発行：2007.02.24 12:00
--------------------------------------------------------------
【目次】
１．X君の疑問
２．イメージセンサ
３．CCDとは
４．CCDの動作
５．CCDの弱点
６．まとめ
７．次回予告
８．編集後記
--------------------------------------------------------------
【１．X君の疑問】
X君曰く。

「この前、秋葉原のヨドバシカメラに行って来ましたよ。
最近は、デジカメの種類も増えて、何を選んで良いのか分らないですね。

ところで、いつも思うんですが、
デジタルカメラの【画素数】って何のことですか？
画素数が多い方が性能がよくなるってこと？は知ってますが、
画素数が多いって本当はどういうことなんでしょうか？」

私
「銀塩カメラの場合は、フィルムが入っていたけれど、
デジタルカメラは、イメージセンサ（撮像素子）などが、
フィルムの替わりに使われているね。
そのイメージセンサの中にあるフォトダイオードの数のことだよ」

X君
「いめーじせんさ？ふぉとだいおーど？
あんまり聞いたことないですね。
何ですか？それは？」

私
「じゃあ、今日は、イメージセンサ（撮像素子）について説明しようか」
--------------------------------------------------------------
【２．イメージセンサ】
イメージセンサというのは、光を電気信号に変える素子のことです。

一般的にデジタルカメラに使われているのは、
CCDやCMOSなどのイメージセンサです。

デジタルカメラのカタログを見ると、イメージセンサ（撮像素子）に
どんな部品が使われているのか書かれています。

今回は、まずCCDについて説明しましょう。
--------------------------------------------------------------
【３．CCDとは】
CCDは、Charge Couled Devicesの略です。
「電荷結合素子」などとも呼ばれます。

このCCDは、半導体の一種の
フォトダイオードやキャパシタなどから構成されています。

デジタルカメラのカタログに記載されている「画素数」とは、
この「フォトダイオードの数」のことです。
つまり「500万画素」だったら、
500万個のフォトダイオードがあるということですね。

フォトダイオードの大きさは、1マイクロメートルほど。
つまり、1メートルの100万分の１ぐらいの大きさです。
--------------------------------------------------------------
【４．CCDの動作】
CCDは、光を電気に変換する働きをする素子です。

CCDの働きは、以下のようなものです。

１）光を電荷に変換
２）電荷を転送
３）電荷を電気信号に変換


CCDのフォトダイオード部分は、「光電効果」を利用しています。

「光電効果」というのは、
光を「電荷」に変換させる作用のことです。

光の強さによって「電荷」の量も変わります。

さて、光を電荷に変換した後、
1つ1つのフォトダイオードに蓄積された電荷を取り出すわけですが、
このとき、「バケツリレー」のような方法を使います。

何故そんなことをするのかというと、例えば500万もある素子に
配線を繋げると、設計も製造も困難になるためです。

そういう「困難」を減らしていくことが、
製品の品質、価格、製造プロセスなどを減らし、
低価格で高品質のものを作ることに繋がるのです。


そこで、1つ1つのフォトダイオードに配線するのではなくて、
「電荷」を、バケツリレーのように「転送」させて、
キャパシタ部分に運ばれていく方法を使います。

つまり、一個のデータは、隣の素子、さらに隣の素子へと、
順番に転送され、最後に電荷を取り出しているのです。

このデータは、キャパシタに蓄積されます。
キャパシタは、
「電荷の量」を「電圧の値」に変換することができる素子です。
この「電圧の値」によって、光の強さを表すわけです。

「光の強さ」と「電圧」の関係はこういうことになります。

・黒＝光が弱い状態＝電荷は少い＝電圧が低い
・白＝光が強い状態＝電荷が多い＝電圧が高い


（RGB256段階で表すと、0が黒、255が白になる。
赤色は、R=255、G=0、B=0
黄色は、R=255、G=255、B=0になる）
--------------------------------------------------------------
【５．CCDの弱点】
どんなものにも、弱点はあり、それはCCDでも例外ではありません。
ここでは、CCDの弱点について説明します。
（最新型のCCDでは、この弱点もかなり克服されているようです）

弱点１）スミア
症状：光が強いものを撮影した場合、縦方向に真っ白に色飛びしてしまう

CCDは垂直方向に電荷が転送され、その後、水平方向に転送されます。
例えば、朝日や夕日などを撮影した場合、
強すぎる光が入ってしまうと、電荷が溢れてしまい、
溢れた状態で次々と転送されます。

電荷が溢れた状態は、「白」として認識されます。
つまり、そういう状態の写真をみると
縦方向に真っ白な帯のような領域ができてしまうのです。


弱点２）暗電流ショットノイズ
症状：CCDをスタンバイした状態で、電荷が発生してしまう。
その暗電流によって、ノイズが発生してしまう。

CCDは、スタンバイした状態でも、（光を完全に遮断していても）
CCDが発生する熱によって、電荷が発生します。
この暗電流が「ノイズ」になってしまうのです。

このノイズがあると、ダイナミックレンジが小さくなってしまいます。

ダイナミックレンジというのは、
最も大きな信号と最も小さな信号の比率のことです。
こういう比率は、電気工学ではデシベル（単位：dB）で表します。

このダイナミックレンジが大きい方が、
表現できる色の階層が増えるので、
より性能がよいということになります。

つまり、暗電流があるために、相対的に、
ダイナミックレンジが小さくなってしまうのです。
--------------------------------------------------------------
【６．まとめ】
CCDの働き。

１）光を電荷に変換
２）電荷を転送
３）電荷を電気信号に変換

CCDのフォトダイオードが、光を電荷に変換している。
データ転送は、バケツリレーのような方式を使っている。

CCDの中にあるフォトダイオードの数が、いわゆる「画素数」である。
--------------------------------------------------------------
【７．次回予告】
イメージセンサの続き、CMOSについて。
--------------------------------------------------------------
【８．編集後記】
デジタルカメラのイメージセンサ（撮像素子）について説明しました。
今回は、CCDについて述べましたので、次回はCMOSです。
お楽しみに！
--------------------------------------------------------------

この記事の発行者<<前の記事 ｜ 次の記事>> ｜ 最新の記事