光電気変換から画像生成まで：画像の原則の本質的な違い

産業自動化、機械ビジョン、科学研究の多くのアプリケーションシナリオでは、画像情報を取得するためのコア機器としての産業カメラであり、パフォーマンスの観点からシステム全体の精度と信頼性に直接影響します。工業カメラの性能を決定するコアコンポーネントは、CCD（電荷結合デバイス）とCMO（相補的な金属酸化物半導体）が2つの主流の技術ルートであるイメージセンサーです。どちらも半導体材料の光電効果を利用して光子を電子に変換する光電気変換の原理に基づいていますが、信号処理と伝送方法には基本的な違いがあります。

CCDセンサーの設計コンセプトは、光電信号を中央に処理することです。光がピクセルアレイに光を当てると、各ピクセルは光強度に比例した電荷パケットを生成します。これらの充電パケットには、複雑な転送プロセスが必要です - 正確なクロックパルス制御の下で、ピクセル電荷は線ごとにシフトされ、チップの端にある単一の出力ノード（または非常に少数の出力ノード）にシフトされ、電圧変換と信号増幅を実行します。この設計により、すべてのピクセル信号が同じ信号パスを通過し、信号出力の一貫性が高くなります。

対照的に、CMOSセンサーは、分散処理の革新的なアーキテクチャを採用しています。 CMOSチップでは、各ピクセルにはフォトダイオードが含まれているだけでなく、独立したミニチュアアンプとアナログからデジタルへの変換回路も統合します。この設計により、各ピクセルは電荷を現場で電圧信号に変換し、交差する行と列線のネットワークを通じて直接読み取ります。この構造は読み取り速度を大幅に改善し、消費電力を削減しますが、数百万のミニチュアアンプ間のパフォーマンスの違いは必然的に信号の一貫性の問題をもたらします。
信号伝送のこの根本的な違いは、産業カメラアプリケーションの2つのテクノロジー間の一連のパフォーマンスの違いをもたらしました。 CCDの「シーケンシャルシフトと集中出力」とCMOSの「並列変換と分散測定」の違いを理解することは、2つの間のすべてのその後の違いを把握するための基盤です。

騒音、消費電力、解像度、感度、コストの5つのコアパフォーマンス要因の比較

2.1ノイズパフォーマンスと画質

CCDセンサーには、集中信号処理によるノイズ制御の利点があります。すべてのピクセルが同じ（または非常に少ない）出力アンプを共有しているため、ピクセル間の増幅の違いは回避されます。この設計は、成熟したPN接合部または二酸化シリコン分離層技術と組み合わされて、固定パターンノイズの生成を効果的に減らし、それにより、画質でより純粋で一貫した出力を提供します。特に長時間の曝露または低光条件下では、CCDセンサーは依然として低騒音レベルを維持することができ、精密測定と低光イメージングアプリケーションで非常に好まれます。
対照的に、CMOSセンサーの各ピクセルには、独立した信号アンプが装備されています。この設計により読み取り速度が向上しますが、数百万のアンプ間の小さなパフォーマンスの違いにより、パターンノイズが固定されます。このノイズは、特に均一に照らされたシーンで、画像上の固定パターン干渉として現れます。ただし、CMOSテクノロジーの進歩により、最新の産業用グレードのCMOSカメラは、相関した二重サンプリング（CDS）およびデジタル補正アルゴリズムを通じてこの問題を大幅に改善し、一部のハイエンド製品はCCDの画質レベルに近づいているか、さらには到達しました。

2.2エネルギー効率と消費電力の違い

消費電力の観点から、CMOは大きな利点を示します。 CMOSはアクティブな画像取得方法を採用します。ここでは、感光性ダイオードによって生成される電荷が直接増幅され、隣接するトランジスタによって出力されます。センサー全体には単一の電源のみが必要であり、典型的な電力消費は同様のCCDの1/8〜1/10のみです。この機能により、CMOSは、ポータブルデバイス、組み込みシステム、マルチカメラアレイなどのエネルギーに敏感なアプリケーションに優先される選択肢となります。
CCDの高出力消費は、そのパッシブ電荷移動メカニズムによるものです。異なる電圧（通常は12〜18V）の3セットの電源が必要です。また、電荷のシフト転送を促進するために複雑なクロック制御回路が必要です。これにより、電源設計の複雑さを高めるだけでなく、熱散逸の問題ももたらします。高解像度または高フレームレートで作業すると、CCDの温度上昇が熱ノイズをさらに増加させ、悪循環を形成します。したがって、CCDカメラを使用する産業システムは、多くの場合、追加の熱散逸装置が必要です。

2.3解像度とピクセルの設計

同じサイズのセンサーを比較する場合、CCDは通常、より高い解像度を提供します。これは、CCDのピクセル構造が比較的単純であり、ほぼ全体のピクセル領域を光感受性に使用できるため、光感受性領域（充填因子）の割合は95％以上に達する可能性があります。また、CMOSの各ピクセルには、追加のトランジスタと回路成分の統合が必要であり、これらの「非感光領域」の有効な光感受性領域を減少させます。たとえば、1/1.8インチの仕様を備えたセンサーの場合、CCDは1628×1236（4.40μmピクセル）の解像度を達成できますが、CMOの解像度は通常1280×1024（5.2μmピクセル）です。
ただし、CMOSテクノロジーは、背中の照明（BSI）と積み重ねられたデザインを通じて、このギャップを徐々に狭めています。バックイルミネートCMOは、フリップチップを使用して、前面の回路層をバイパスし、充填係数を大幅に改善し、背面から光感受性領域に光を向けることができます。積み重ねられたCMOは、接着前に感動層を処理回路層から分離および製造し、スペースの利用をさらに最適化します。これらのイノベーションにより、最新のハイエンドCMOS産業カメラは、2,000万ピクセル以上の解像度を提供し、産業検査のニーズの大部分を満たすことができます。

2.4光および低光のパフォーマンスに対する感受性

感度の観点から、CCDセンサーは従来の利点を維持しています。ピクセル内の効果的な光感電領域が大きいため、CCDは低光環境でより多くの光子をキャプチャでき、より良い信号対雑音比のパフォーマンスを提供します。テストデータは、人間の目が1ラックス照明の下でのオブジェクトを認識できることを示しています（満月の夜に相当）、CCDの感度範囲は0.1-3Luxですが、従来のCMOは効果的に機能するために6-15Lux照明が必要です - これは、10luxを下回る低光環境では、従来のCMOが使用可能な画像を困難にすることを意味します。
この違いは、産業内視鏡、暗視の監視、天文学的観察などの特別な用途で特に重要です。ただし、最新のCMOは、大きなピクセル設計（3μmを超えるピクセルサイズなど）および高度なマイクロレンズアレイテクノロジーを通じて、低光のパフォーマンスを大幅に改善しました。一部のハイエンドCMOSセンサーは、背中の照明技術を通じてCCDを超えた量子効率（QE）を達成し、特定の波長で95％以上の光子変換効率を達成しました。

2.5製造コストと経済的考慮事項

コスト構造に関しては、CMOには圧倒的な利点があります。 CMOSセンサーは、標準の半導体積分回路と同じ製造プロセスを使用し、コンピューターチップとストレージデバイスを生産するウェーハファブで大量生産できます。このプロセスの互換性は、ユニットコストを大幅に削減します。同時に、CMOSの高い統合により、カメラメーカーは「チップレベルのカメラ」を開発することができます - センサー、プロセッサ、およびインターフェイスサーキットを単一のチップに統合し、アセンブリプロセスと周辺回路の要件をさらに簡素化します。
対照的に、CCDの製造プロセスはユニークで複雑であり、ソニーとダルサ、パナソニック、および他のいくつかのメーカーのみが生産能力を持っています。その電荷移動メカニズムは、製造の欠陥に非常に敏感です。単一のピクセル障害により、データの列全体を送信できなくなり、降伏率が大幅に低下する可能性があります。さらに、CCDカメラには、最終製品の価格を集合的に引き上げる追加のサポートサーキット（タイミングコントローラー、アナログ対デジタルコンバーター、信号プロセッサを含む）が必要であるため、CCD産業カメラのコストは通常、同じ仕様のCMOSカメラの1.5〜3倍です。