CCD (Charge-Coupled Device) とは何ですか? どのように使用されますか?

2023/01/09

写真をデジタルで撮影するには、最新のカメラで光を捉えてデジタル情報に変換する必要があります。これを行うには、カメラには環境からの光子を正確かつ迅速に記録するセンサーが必要です。

スマートフォンや民生用デジタルカメラに搭載されているCMOSセンサーは、皆さんご存知だと思います。しかし、より高いレベルの詳細とダイナミックレンジを提供する別のタイプのセンサーがあることをご存知ですか? これらのカメラセンサーは、CCD として知られています。

では、CCDとは正確には何ですか？どのように機能し、どのように使用されますか? では、それについて話しましょう。

CCD (Charge-Coupled Device) とは何ですか?

CCD、または電荷結合デバイスは、薄いシリコンウエハー上で光子を跳ね返すことによって生成された電荷を介して光をデジタル信号に変換する電子センサーです。

CCD は、80 年代初頭から 2000 年代後半まで、カメラセンサーのゴールドスタンダードでした。これは、CMOS センサーが 2010 年頃に、CCD センサーに匹敵する画質を持ちながらシステムオンチップ (SoC) として製造するための大幅な技術革新を達成したためです。

CMOS が普及して以来、この 10 年間でスマートフォンやカメラで CCD センサーを目にすることはめったになくなりました。ただし、CCD センサーは完全に時代遅れというわけではありません。消費者向けカメラ市場からは段階的に廃止された可能性がありますが、CCD センサーは依然として写真の特定の分野で使用されるセンサーとして好まれています。

写真におけるCCD技術の応用

製造コストが高いだけでなく、CCD には他の問題もあり、消費者市場から段階的に排除されました。これには、CMOS が使用する電力の 100 倍の高電力要件と、バーストで写真を撮ったりビデオを撮影したりするときに問題となる遅い画像処理が含まれます。

これらすべての欠点にもかかわらず、CCD は、マシンビジョンを必要とするさまざまな産業用および科学的アプリケーションで今でも活躍しています。これは、CCD が、これらの専門的な写真撮影の分野で必要とされる、より高品質で低ノイズの画像を提供するためです。さらに、CCD カメラの購入と運用のコストは、十分な資金を備えた機関や企業にとって実際には問題になりません。

では、いまだに CCD を使用している写真の専門分野とは、具体的にどのようなものなのでしょうか? 以下で調べてみましょう。

光学顕微鏡

CCD は、さまざまな顕微鏡アプリケーションで使用され、食品、化学、工学、および顕微鏡オブジェクトの鮮明な画像が必要なその他のアプリケーションを観察します。CCD は、高感度と低ノイズ比で 10 ピクセル以上のオブジェクトを記録できるため、光学顕微鏡に選択されます。

宇宙写真

宇宙の写真を撮るには、CCD カメラが最適です。これは、CCD センサーの量子効率が最も高く、その結果、低ノイズ、高ダイナミックレンジ、優れた均一性が得られるためです。これらはすべて、宇宙写真の重要な側面です。

近赤外イメージング

CCD はさまざまな工業用画像処理アプリケーションで使用されていますが、その 1 つが近赤外線画像処理です。赤外線フォトンは通常の目に見えるフォトンよりも見えにくいため、センサーは近赤外線イメージングを行うために非常に効率的なフォトン吸収を備えている必要があります。CCD は、赤外線光子をより適切に捕捉できる高感度センサーを提供するため、これらのアプリケーションでは常に使用されます。

CCD は、主にその高い量子効率、低ノイズ画像、高レベルの均一性により、科学、産業、および医療写真の分野で成功を収めています。しかし、CCD センサーはどのようにしてそのような品質を提供するのでしょうか? これをよりよく理解するには、まず CCD センサーがどのように機能するかを学ぶ必要があります。

CCDシステムはどのように機能しますか?

CCD は、さまざまな種類のカメラセンサーの 1 つにすぎません。また、他のカメラセンサーと同様に、CCD は光を捉えてデジタル信号に変換します。デジタル信号は処理され、モニターなどの電子ディスプレイに表示されるときにピクセルとして表示されます。

すべてのイメージセンサーには、アナログをキャプチャしてデジタル信号を生成するという同じタスクがありますが、そのタスクを達成するために必要なモードまたはプロセスは、他のセンサーとは異なります。

CCD センサーが画像を取得するには、光から電荷への変換、電荷の蓄積、電荷の転送、電荷から電圧への変換、信号の増幅という 5 つのプロセスを経ます。プロセスを段階的に見ていきましょう。

ステップ 1: 光から電荷への変換

CCD センサーは、フォトン (光からのエネルギー) を薄いシリコンウエハーから反射させて電子を放出させることによって光を取り込みます。次に、正に帯電した小さなコンデンサが、放出された電子を収集して保存するバケツとして機能します。小さなコンデンサーの上にあるこの薄いシリコンウェーハのユニットは、フォトサイトとして知られています。

ステップ 2 および 3: 電荷の蓄積と電荷の移動

CCD センサーは、カメラのシャッターが閉じるまで、このような電子を収集して保存し続けます。コンデンサから蓄えられたすべての電子は、電荷を作るものです。

カメラのシャッターが閉じると、フォトサイトからのすべての電荷がセンスコンデンサ回路に転送されます。転送は、各電荷がセンスコンデンサ回路に送られるまで、電荷をセンサーのエッジまで水平方向にシフトし、次に垂直方向にシフトすることによって行われます。

CCD センサーはこのシフトレジスタメカニズムを使用して電荷を転送しますが、CMOS センサーはローカル電圧変換と信号増幅を使用します。これによりCMOSはより高速なセンサーになりますが、膨大な数のローカルアンプが画像にノイズやアーティファクトを作成するため、出力は非常にノイズが多くなります. これに対し、CCD は 1 つの増幅回路のみを使用して信号を増幅します。

ローカル増幅を高速で使用することのもう 1 つの欠点は、画像に不均一性が生じることです。CCD センサーは、各フォトサイトで電荷を処理するプロセスが線形であるため、このような問題はありません。

ステップ 4 および 5: 電荷から電圧への変換および信号増幅

センスコンデンサに送られたアナログ電荷は自動的に電圧に変換され、画像の作成に使用される生のデジタルデータが作成されます。電荷から電圧への変換後、デジタル信号はプロセッサが使用するにはまだ低すぎます。

デジタル信号を増幅するために、信号増幅器が使用されます。この増幅された信号は、画像を組み立てる画像プロセッサに送信されます。

CCD はこれからも続く

かつてはデジタルカメラセンサーのゴールドスタンダードであった CCD は、現在では一般消費者向けの通常の使用は中止されています。しかし、高い量子効率、低ノイズイメージング、広いダイナミックレンジ、および優れた均一性を備えた CCD は、多くの科学および産業用アプリケーションで今でも使用されています。

また、メーカーが近い将来に消費者向けの CCD カメラを復活させる可能性は低いとはいえ、CCD は科学研究の主要な要素であり続けるでしょう。