5分でわかるデジタル家電のABC

デジタル家電の技術 Vol.004

デジタル家電の技術 Vol.004
【イメージセンサ（撮像素子）CMOS】
発行：2007.03.03　12:00
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【目次】
１．X君また現れる
２．CMOSとは
３．CCDとCMOSの違い
４．CMOSの問題点
５．まとめ
６．次回予告
７．編集後記
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【１．X君また現れる】
大学生のX君がまた遊びに来た。

「前回は、イメージセンサCCDの説明をありがとうございました。
【ブラックボックス】のように思っていたデジカメの中身が
少しだけ分ったような気がします。（少しだけ・・・）

このメールマガジンを読み続けていけば、
もっとよく分かるようになりますよね？」

私
「本当に、そうなるように願っています。
X君も毎回遊びに来てね」

X君
「今回は、CMOSということですね。これは何て読むんですか？
「しーえむおーえす」では無いですよね？」

私
「CMOSは、シーモスと呼びます。
CMOSの【MOS】というのは、Metal Oxide Semiconductorのことです。
金属酸化膜半導体などと呼ばれ、半導体の分野ではよく使うね。
このCMOSも、前回のCCDと同じく、イメージセンサだね」

X君
「それでは、今日は、「しーもす」の説明ですね！」
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【２．CMOSとは】
今回はCMOSについての説明です。

本当は、CMOSといっても、様々な種類のものがあり、
「CMOSメモリ」や「CMOSオートフォーカスセンサ」などがありますが、

今回は、「CMOSイメージセンサ」のことを
簡単に「CMOS」と略して説明しようと思います。
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【３．CCDとCMOSの違い】
前回はCCDについて説明しました。

CCDでは、フォトダイオードで光を電荷に変換し、
それを「バケツリレー」のようにして転送し、
それから電荷を電気信号に変換しています。

CMOSは、フォトダイオードで光を電荷に変換するのは、CCDと同じです。

しかし、CCDがバケツリレーのようにして電荷を転送するのですが、
CMOSは、フォトダイオードで電荷を蓄積し、
画素ごとに信号として取り出しています。

何故、こんなことができるのでしょうか？

その理由は、CMOSの構造がCCDとは異なり、
各画素ごとに回路を繋いでいるからです。

何故、CCDでは、できなかったことがCMOSでは実現できるのか？

それは、CMOSは「システムオンチップ」であるためです。

CCDでは、
例えば500万ある画素それぞれに配線することは、
とても難しいことでした。

しかし、今日説明するCMOSでは、それが可能なのです。
その理由が、CMOSが「システムオンチップ」であることです。

今回、冒頭でX君に言った言葉をここで改めて思い出してみてください。

＞CMOSの【MOS】というのは、Metal Oxide Semiconductorのことです。
＞金属酸化膜半導体などと呼ばれ、半導体の分野ではよく使うね。

そうです、CMOSは、通常の半導体（LSIなど）と同じようなものです。
つまり、同じような製造プロセスで作っているのです。

みなさんはLSIについてご存知でしょうか？
あの小さなチップの中には、たくさんの回路が入っています。

その中身は、
一層の半導体だけではなく、何層もの半導体の層になっていて、
そのため高密度化することができるのです。

一層の半導体が平屋（一階建て）の建物だとすると、
二層は、二階建て。
三層は、三階建て。
をイメージしてみて下さい。

「同じ土地でも階数（層数）が上がれば利用できる面積も増える」
ことが分るでしょう。

さらに、「システムオンチップ」半導体は、
細かい回路の組み込みが、とても行いやすいのです。

（そのおかげで、
パソコンや携帯などの電気製品がかなり小さくなりました）

だからCMOSの方が、CCDよりも多くの回路を組み込めるのです。
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【４．CMOSの問題点】
しかし、CMOSは、一つの画素に多くの機能を持たせています。
例えば、一つの画素に、
フォトダイオードと増幅器（アンプ）が一つ付いています。

そのため、CCDよりもサイズが大きくなってしまうのが欠点です。
（現在は、その欠点も解消されつつあります）


前回、CCDの弱点として、以下の二点を挙げました。

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。

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。


スミアは、バケツリレーのような転送方式が原因だと書きました。
CCDと異なり、バケツリレーのようなデータ転送を行なわないCMOSでは、
スミアは殆ど発生しません。

また、CMOSはCCDよりも少ない消費電力で動作します。
そのため、CMOSは、「携帯電話に搭載」されることが多いのです。


CMOSの問題点は、「ノイズ」です。
（最近は、「ノイズ」も改善されつつあり、
CMOSが搭載されるデジカメも増えてきました）


CCDの暗電流ショットノイズが発生すると書きましたが、
CMOSも、CCDと同様に、暗電流ショットノイズは発生します。

しかし、CMOSは「固定パターンノイズ」というもの「も」発生するのです。
固定パターンノイズとは、
画素の増幅器（アンプ）のばらつきによって発生するノイズです。

トランジスタやOPアンプを使ったことがある方は分ると思いますが、
半導体は、増幅率に大きなばらつきがあります。

半導体は、シリコンなどの結晶でできているのですが、
そういう結晶は、完璧に同じものを作るのが難しいためです。

余談ですが、
他に半導体の問題点は、「温度特性が悪い」というものがあります。
だから、温度が変化する環境で使用する製品（自動車関連部品など）は、
「温度補償回路」（温度が変化しても、性能が変わらないようにする回路）
がどうしても必要になります。


また、CMOSの問題点として他には次のようなものもあります。

CCDは、信号をバケツリレーのようにして転送するので、
電荷は残留しませんが、
CMOSでは、少し電荷が残留してしまいます。

しかし、最近では、
CMOSでもCCDのように電荷を転送する回路を作るなどして
電荷の残留を克服しているようです。
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【５．まとめ】
１）CMOSは、フォトダイオードで光を電荷に変換している。
（CCDと同じ）

２）CMOSとCCDは、電荷の転送の仕方が異なる。
（CMOSは、画素ごとに信号を取り出している）

３）CMOSは消費電力が小さいため、携帯電話などに使われる傾向がある。

４）CMOSの問題点は、「ノイズ」と「電荷の残留」である。
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【６．次回予告】
デジタルカメラの続きを予定しています。
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【７．編集後記】
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今後もご購読をよろしくお願い致します。

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