イメージセンサーの発明は1960年代にさかのぼります。 1960年代初頭にMOS（Metal Oxide Semiconductor【金属酸化物半導体】）センサーアーキテクチャの設計から始まり、1969年にキャノンがデジカメに最新のSPAD（Single Photon AvalancheDiode【単一光子アバランシェダイオード】）を搭載するまで、センサー技術の長い道のりを歩んできました。これらの開発にもかかわらず、CCDおよびCMOSセンサーは、何十年もの間、イメージング分野における最も人気のあるセンサー技術の2つであり続けています。
この2つのセンサーにはそれぞれの利点がありますが、近年、特にエンベデッドビジョン分野ではCMOSセンサーがより一般的になりつつあります。この2つの技術の比較は、携帯電話のカメラやマシンビジョンシステムを中心に議論されてきましたが、エンベデッドビジョンに関してはあまり語られることはありませんでした。
この記事では、CMOSセンサーとCCDセンサーの主な違い、CMOSが組込みビジョンでCCDに勝る理由、そして画像の世界における両者の将来について簡単に説明します。
CCDおよびCMOSセンサーとは？ また、両方の主な違いは？
CCDとCMOSの両方の技術は、光電効果を使用して、光（または光子）のパケットを電気信号に変換します。 また、これら2つのセンサーは、これらの入射光子を収集するピクセルウェルで構成されています。 2つの基本的な違いは、電気信号から画像を再現することにあります。
ここで、これらのテクノロジーのそれぞれを詳細に見て、それらの類似点と相違点について詳しく見ていきましょう。
CCD（Charge Coupled Device【電荷結合デバイス】）センサー
CCDセンサーはアナログデバイスです。 CCD層の下には、一方の端でアンプに接続され、もう一方の端でADC（アナログ-デジタルコンバーター）に接続されているSSR（シリアルシフトレジスタ）があります。CCD層の電荷はSSRに転送され、次に増幅器とADCに転送されます。この電荷は、画像を再作成するために各ピクセルサイトから読み取られます。プロセス全体の仕組みを理解するには、次の図をご覧ください。
CCDセンサーでは、光子が電気信号に変換されると、電圧に変換される電荷が限られた数のノードを介して転送されます。これは、少数のアンプとADCのみが動作していることを意味し、その結果、出力イメージのノイズが少なくなります。
CMOSセンサー
CMOSは「Complementary Metal Oxide Semiconductor」の略で「相補型金属酸化膜半導体」のことです。 CMOSセンサーとCCDセンサーの主な違いは、前者はすべてのピクセルにアンプがあることです。一部のCMOSセンサー構成では、各ピクセルにADCもあります。 これにより、CCDセンサーと比較してノイズが高くなります。しかし、その分、この設定では、複数のセンサーピクセルを同時に読み取ることができます。 後のセクションでは、この欠点があるにもかかわらず、CMOSセンサーがCCDのパフォーマンスとどのように一致しているかについてもご紹介します。
CMOSセンサーのアーキテクチャを理解するには、以下の画像をご覧ください。
CCDセンサーとCMOSセンサーの主な違い
CCDセンサーとCMOSセンサーの1対1の比較は、5つの異なるパラメーターに沿って行うことができます。
- 感度: 最近まで、CCDは、低照度条件やNIR（近赤外線）領域でのイメージングに関して、CMOSよりも優れていました（低照度およびNIRイメージングについては次のセクションで詳しく説明します）。しかしながら、CMOSセンサー技術の進歩により、CCDセンサーに近づくことができます。
- ノイズと画質: ADCとアンプの数が少ないため、CCDセンサーはCMOSセンサーと比較してノイズの少ない画像を配信するのに役立ちます。一方で、CMOSセンサーの画像を向上させるために、センサーメーカー各社は常に革新的な技術を開発しています。
- 消費電力: CCDセンサーと比較して、CMOSセンサーは消費電力が少なく、他の電力を消費するコンポーネントを持つ組み込みビジョンシステムで特に役立ちます。
- サプライチェーンと可用性: CCDテクノロジーから撤退するセンサーメーカーが増えるにつれ、これらCCDセンサーの可用性はここ数年で大幅に減少しています。また、CCDサプライヤーを探している場合は、CMOSセンサーのベンダーが多数存在するのとは対照的に、選択肢が少なくなる可能性があります。
- コスト: コスト面ではCMOSに軍配があがります。
低照度、近赤外イメージング用CCDセンサーおよびCMOSセンサー
CCDセンサーは、低照度やIR/NIR光源下で動作するカメラベースのデバイスを構築する際に、非常に長い間、多くの製品開発者にとって自然な選択肢であり続けてきました。特に高温範囲では、QE（量子効率–センサーの感度を示す尺度）を維持するために、CMOSセンサーに冷却器を追加する必要がありました。これは、CCDセンサーがNIRスペクトルの光子を吸収するためのより厚い基板層を持つ柔軟性を提供したという事実にも起因していました。しかし、CMOSセンサー技術の最近の開発により、従来のCCDセンサーよりも優れた感度を提供するセンサーが誕生しました。例えば、ソニーのSTARVISシリーズには、優れた低照度性能とNIR感度を備えたさまざまなセンサーが搭載されています。
CMOSセンサーが組み込みビジョンの分野で優っている理由
前に説明したように、CMOSカメラは、ほとんどのイメージングパラメータに関してCCDカメラに追いついてきています。パフォーマンスを一致させてコストを削減することで、CCDセンサーよりもCMOSセンサーを選択する製品開発者がますます増えています。また、同じ理由で、センサーメーカーも新しいCCDセンサーの開発から徐々に遠ざかっています。したがって、この分野においてはあまり研究や進歩は起こっていません。 これにより、カスケード効果が発生し、CCDセンサーの需要が減少しているのです。
さらに、他の組み込みビジョンアプリケーションと比較してはるかに長い間CCDを使用していた医療用顕微鏡のような多くのイメージングアプリケーションも「CMOSの波」に乗っています。さらに、消費電力の利点に加えて、CMOSセンサーはより高いフレームレートと、より良いダイナミックレンジを提供する傾向があります。これにより、組み込みカメラメーカー各社は、CMOSセンサーを使用した最先端のカメラソリューションを考案するようになりました。たとえば、当社のCMOSカメラの幅広いポートフォリオには、16MPオートフォーカスUSBカメラ、4K HDRカメラ、グローバルシャッターカメラモジュール、IP67定格のフルHD GMSL2 HDRカメラモジュール、IP66定格のAIスマートカメラなどが含まれます（当社のCMOSカメラポートフォリオの全体像については、カメラセレクターをご覧ください）。
これらのことを考えると、CMOSカメラが組み込みビジョン界の頂点に立つのはなんら不思議なことではありません。
CCDセンサーとCMOSセンサー–将来はどうなるか
さらなる開発が停滞しているため、CCDセンサーが消滅してしまう可能性もあります。 実際、多くのセンサーメーカーは、数年前にCCDセンサーの製造をすでに停止しており、CCDを使用している既存の顧客をサポートし続けているだけです。
CCD側は先行き不透明な状況ですが、CMOSセンサーの将来は明るいように見えます。 グローバルシャッターから極度の低照度カメラ、高解像度カメラまで、CMOSテクノロジーの進歩は急速に進んでいます。Sony、Onsemi、Omnivisionなどの大手センサーメーカーが、CMOSセンサーの感度、解像度、ダイナミックレンジ、電力効率などの向上に重点を置いているため、この分野の革新はとても速いスピードで起こっています。
CMOSとCCDテクノロジーの、2つのタイプのセンサーの主な違いについてご理解いただけましたでしょうか。このトピックについてさらにご質問がある場合、またはビジョンベースのアプリケーションにCMOSカメラを統合するためのヘルプをお探しの場合は、camerasolutions@e-consystems.comまでご連絡ください。
また来週の木曜日会いましょう！
Prabu Kumarは、e-con Systemsの最高技術責任者兼カメラ製品責任者であり、組み込みビジョン分野で15年以上の豊富な経験があります。彼は、USBカメラ、組み込みビジョンカメラ、ビジョンアルゴリズム、FPGAに関する深い知識をも有しています。医療、工業、農業、小売、生体認証などのさまざまなドメインにまたがる50以上のカメラソリューションを構築してきました。また、デバイスドライバー開発とBSP開発の専門家でもあります。現在は、新時代のAIベースのアプリケーションを強化するスマートカメラソリューションの構築に全力を注いでいます。