センサーの読み出し速度の背後にある科学

💡画像センサーを理解する: CCD と CMOS

デジタル カメラやイメージング デバイスの心臓部には、光を捉えて電気信号に変換する役割を担うイメージ センサーがあります。市場を席巻しているイメージ センサーには、電荷結合素子 (CCD) と相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) の 2 種類があります。それぞれの技術には独自のアーキテクチャと読み出しメカニズムがあり、センサーの読み出し速度に直接影響を及ぼします。

従来、優れた画質と低ノイズで知られる CCD は、グローバル電荷転送メカニズムを採用しています。光が照射されると、各ピクセルに蓄積された電荷は、センサー全体にわたって順次読み出しノードに転送されます。このプロセスでは、電荷パケットを 1 つのピクセルから次のピクセルに転送しますが、特に高解像度センサーの場合は、比較的遅くなることがあります。

一方、CMOS センサーには、読み出し速度の高速化や消費電力の低減など、いくつかの利点があります。CMOS センサーでは、通常、各ピクセルに独自のアンプとアナログ/デジタル コンバータ (ADC) があり、ピクセル データの並列読み出しが可能です。この並列アーキテクチャにより、センサー全体の読み出しに必要な時間が大幅に短縮され、高速イメージング アプリケーションでのフレーム レートの高速化とパフォーマンスの向上が実現します。

⚡読み取り速度に影響を与える要因

CCD デバイスか CMOS デバイスかに関係なく、イメージ センサーの読み出し速度にはいくつかの要因が影響します。これらの要因は相互に関連しており、速度、画質、その他のパフォーマンス特性の間でトレードオフが発生することがよくあります。

• ピクセル アーキテクチャ:個々のピクセルとそれに関連する回路の設計は、非常に重要な役割を果たします。通常、ピクセルが小さいほど、望ましいフレーム レートを維持するために、より高速な読み出し速度が必要になります。
• 読み出しチャネルの数:複数の読み出しチャネルを備えたセンサーはピクセル データを並列に処理できるため、全体的な読み出し速度が大幅に向上します。
• アナログからデジタルへの変換 (ADC) 速度:各ピクセルからのアナログ信号がデジタル値に変換される速度は、重要なボトルネックです。ADC が高速になると、読み取り速度も速くなります。
• データ転送速度:センサーから画像プロセッサにデータを転送できる速度も、全体的な読み出し速度を制限します。高速読み出しには、高帯域幅のインターフェースが不可欠です。
• センサー解像度:解像度の高いセンサーでは読み取るピクセルが多くなり、必然的に読み取り時間が長くなります。

🎥ローリングシャッターとグローバルシャッター

イメージ センサーの読み出しメカニズムは、ローリング シャッターまたはグローバル シャッターといった、使用するシャッターの種類に直接影響します。これらのシャッターの種類にはそれぞれ異なる特性があり、動きを捉える方法に影響を与えます。

ローリング シャッター センサーは、通常上から下へ、異なるタイミングで異なるピクセル ラインを読み取ります。つまり、画像の上部が下部よりわずかに早くキャプチャされるため、高速で移動する物体をキャプチャするときに歪みが生じる可能性があります。この歪みは「ローリング シャッター効果」とも呼ばれ、歪んだ画像として現れることがあります。

一方、グローバル シャッター センサーは、すべてのピクセルを同時にキャプチャします。これは、各ピクセルからの電荷を読み出す前に一時的に保存することで実現されます。グローバル シャッターはローリング シャッター効果を排除し、動いている被写体をより正確かつ歪みなくキャプチャします。ただし、グローバル シャッターを実装するには通常、より複雑なピクセル設計が必要になり、センサーの光に対する感度が低下する可能性があります。

📈画質への影響

一般的には、読み取り速度が速いほど望ましいのですが、画質が犠牲になる場合もあります。このトレードオフにはいくつかの要因が関係します。

読み出し速度を速くするには、多くの場合、より高速な ADC が必要となり、信号にノイズが加わる可能性が高くなります。このノイズは、特に低照度条件では、画像に粒状感やアーティファクトとして現れることがあります。読み出し速度を最大化しながらノイズを最小限に抑えるには、慎重な設計と調整が不可欠です。

場合によっては、読み出し速度を上げるには、各ピクセルで光を積分するのにかかる時間を減らす必要があります。これにより、センサーの光に対する感度が低下し、より高い ISO 設定が必要になり、ノイズが増える可能性があります。読み出し速度と感度のバランスをとることは、センサー設計の重要な側面です。

さらに、高速読み出しには、効率的なデータ転送と処理パイプラインが必要です。これらの領域でボトルネックが発生すると、イメージング システムの全体的なパフォーマンスが制限され、画像品質が低下する可能性があります。センサーから画像プロセッサまで、イメージング チェーン全体を最適化することが、可能な限り最高の結果を得るために不可欠です。

⚙️読み出し速度の技術的進歩

継続的な研究開発の取り組みにより、センサーの読み取り速度の限界が常に押し上げられています。いくつかの技術的進歩がこれらの改善に貢献しています。

• スタック型 CMOS センサー:センサーのピクセル アレイと処理回路を別々のレイヤーにスタックすることで、スペースをより効率的に使用し、信号パスを短縮できるため、読み取り速度が向上します。
• 改善された ADC 設計: ADC テクノロジの進歩により、過度のノイズを発生させることなく、アナログ信号をデジタル値に高速かつ正確に変換できるようになりました。
• 高速データ インターフェイス: Camera Link HS や CoaXPress などの高帯域幅データ インターフェイスの開発により、センサーから画像プロセッサへのピクセル データの転送が高速化されます。
• オンチップ処理:より多くの処理機能をセンサー チップに直接統合することで、転送する必要があるデータの量を削減し、実効的な読み取り速度をさらに向上させることができます。

🎯高速読み出し速度のメリットを享受できるアプリケーション

多くのアプリケーションでは、センサーの読み取り速度が速くなることで大きなメリットが得られます。これらのアプリケーションでは、高速で移動する物体をキャプチャしたり、高いフレーム レートを必要としたりすることがよくあります。

• 高速写真撮影およびビデオ撮影:動きの速いイベントのスローモーション映像を撮影するには、高いフレーム レートが必要であり、そのためには高速なセンサー読み取り速度が必要になります。
• マシンビジョン:産業用検査システムでは、欠陥を検出したりプロセスをリアルタイムで監視したりするために、高速画像処理が使用されることが多いです。
• 科学的画像処理:顕微鏡検査や天文学などのアプリケーションでは、微弱な信号を捉えたり、高速で移動する物体を追跡したりすることが多く、高い感度と高速な読み出し速度の両方が求められます。
• セキュリティと監視:高速カメラは、自動車事故やセキュリティ侵害などの動きの速い出来事の詳細な画像を撮影できます。