CCD、CMOSとも、半導体で作られた撮像素子ですが、構造・動作原理の違いからそれぞれ特徴が異なります。これまで、FAにおけるエリアセンサー、ラインセンサーいずれの場合もCCDによる画像取り込みが一般的で、CMOSイメージセンサの場合画質に問題があるということから携帯電話など安価で小型な分野にのみ普及していました。しかし、本コラムでご紹介するような技術革新が進み、CMOSイメージセンサでも充分使用し得る製品が出現してきました。新たなFA用カメラの革命といえるでしょう。
CCDとは「固体撮像素子／ Charge Coupled Device」の略で、光電変換デバイスの一つとして古くから使われているものです。照射された光の強弱を信号電荷に変換・蓄積するデバイスで、蓄積された電荷を転送する構造によって様々な種類が存在します。
まず何といっても、画質が良いという点でしょう。撮像専用の素子であるため、画質を最優先して設計されているようです。登場当初は他デバイスより小型で低消費電力というメリットがありましたが、CMOSイメージセンサの登場でそれも薄まってしまいました。
FA用カメラとしては、長期にわたり様々な要求に応える製品が市場に投入されているため、選択肢がかなり多いのが特徴です。一方最大のデメリットといえば、製造技術が難しく、生産コストが高くなりやすいということが挙げられるでしょう。
CMOSとは「相補性金属酸化膜半導体／ Complementary Metal Oxide Semiconductor」のことで、Nチャンネル型MOS FETとPチャンネル型MOS FETを組み合わせた相補型の論理回路のことです。動作時に必ずどちらか一方のトランジスタがオフになるため、一般的には消費電力が小さいといわれています。
CMOSは、メモリやCPUなど今日のLSIの主流となっており、最もポピュラーな半導体構造といえるでしょう。メモリでは、LSI上には何十万、何百万のトランジスタ素子が並びこれがデータを記録していますが、CMOSイメージセンサではそのトランジスタに代わり、チップ上に当たった光の強弱を電荷に変えるフォトダイオードとそれによって流れる電流を増幅させるためのアンプが並んでいます。
1 ▶ 小型、低消費電力
2 ▶ 一部読み出し
3 ▶ 低価格
4 ▶ ワンチップ化
１．最大の特徴として挙げられるのは、低消費電力構造です。CCDと比較すると、ピーク時で５分の１程度の電力しか消費しないというデータもあります。FAカメラとしては、外部電源を別途用意する必要がないなど、システム全体の低消費電力化を可能とします。
もう一つの特徴として、低消費電力であることと高集積化が進んでいることから、小型化しやすいというメリットがあります。FAカメラとしては、今までヘッド分離型で設置していたような狭いスペースに、カメラそのものを配置することができるのは大きなメリットでしょう。また、ラージフォーマットサイズでもある程度小型化できるため、取り回しがずいぶん楽になることが挙げられます。
２．さらに、構造がコンピュータのメモリ等と同じであるため、ランダムにデータへアクセスすることが可能で、画像の一部だけデータを呼び出すことも可能です。現在のCCDではどうしても転送部が必要であるため、ブロック毎の読み出し、最低でも、ライン毎の読み出ししかできませんでしたが、CMOSであれば１ライン分以下のデータも読み出すことができます。※製品仕様により、この機能をサポートしていないCMOSもあります。
３．CMOSの構造は一般的なLSIと同じため一般的な生産ラインを使用でき、大量生産がしやすいことからも生産コストを下げやすい傾向にあります。
４．さらに、CMOSイメージセンサで使われているのは、一般的なCMOSと同じため、他のLSIコアモジュールを「ワンチップ化」することも可能です。同じチップ上にカメラの受光部分であるCMOSイメージセンサの他に、CPUやメモリ等のその他のLSIを集積することも。CMOS回路上に、画像処理演算用のCPUコアとワークメモリ等を集積しておけば、『ワンチップ画像処理デバイス』を作ることも不可能ではありません。
反面、CMOSイメージセンサは構造上、「画像にノイズがのりやすい」というデメリットもあります。CMOSチップは、シリコンでできたウェハー上に数十万、数百万といった非常に多くのトランジスタを作ることにより製造されるのですが、このトランジスタは全く光を受けていない場合でも電流を流した際に微妙に違っています。この電流のばらつきは、メモリなどを作る場合は、「０」「１」のデジタル信号として解釈されてしまうので問題になりませんが、電流の流量を画像にするCMOSカメラでは、このバラつきが画像上ではノイズとなってしまうのです。
しかし最近では、CMOSの特性を生かし「ノイズキャンセラー」を周辺回路に載せるなどの工夫やその他技術革新により、CCDに遜色のないレベルの高い画質のセンサが市場に投入され始めています。
今後、デジタルインターフェース不統一という課題こそあるものの、享受できるメリットの多さから、CMOSカメラはFA分野でますます普及していくと考えられます。
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