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第回

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2010年03月07日 12時50分
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第249回

トイデジユーザのための「CCD」「CMOS」講座

カテゴリ● Tips集
講座なんて偉そうなこと言ってますが、要はネット上で調べた情報を自分なりに噛み砕いてみただけです。この週末は雨降りで外出できないもので、暇だったんです…。(^^;

さて本題。大手メーカーのコンデジの多くは撮像素子にCCDを搭載しているのに対し、トイデジカメの多くはCMOSセンサを搭載しています。「安かろう悪かろう」といった印象もあるCMOSセンサですが、実はデジタル一眼レフの多くはCMOSセンサを搭載していたりします。今回はCCDとCMOSの違いを比較しつつ、安価なトイデジカメでおなじみのCMOSが、なぜ高機能なデジタル一眼レフにも搭載されているのかといった謎に「ざっくり」と、あくまでも「ざっくり」と迫りたいと思います。正確さを欠く表現もあるかと思いますが大目に見てくださいね。


で、撮像素子って?

「イメージセンサ」とも呼ばれる、銀塩(アナログ)カメラのフィルムにあたる部分で、人間の目(眼球)に例えれば網膜にあたります。レンズを通して入ってきた光は、撮像素子によって電気信号に変えられます。デジタルカメラの撮像素子はCCDとCMOSに大別されます。デジカメの仕様やスペック表に「1/2.3型CCD」とか「1/2.5型CMOSセンサ」など書かれているアレですね。
撮像素子の例


CCDイメージセンサとは?

CCDは"Charge Coupled Device" の略で、電荷結合素子などと訳されます。一般に高感度でノイズに強い反面、電荷をバケツリレーのように順繰りに送るために全ての画素を総動員しなければならず、電荷の読み出し速度が遅いといわれています。その代わりに、照射が終わって転送を開始するタイミングが全ての画素で同時になるため、CMOS搭載のトイデジのように「ぐにゃり」と曲がった写真が撮れてしまうようなことはありません。一方で、極端に明るい被写体を撮影した際にスミアが発生する(縦に白い線が出る)という欠点も持ち合わせています。


そんじゃ、CMOSイメージセンサって?

CMOSは"Complementary Metal Oxide Semiconductor"の略で、相補性金属酸化膜半導体などと訳されます。一般に電荷の読み出し速度が速い反面、画質は今ひとつといわれています。その構造上、暗時ノイズや縦筋ノイズが発生しやすいといった欠点があります。また高速に動く被写体に弱く、トイデジカメでおなじみの"ぐにゃった写真"が撮れてしまうことがあります。これはCMOSの各画素が照射を受け始めるタイミングも、受けるのをやめるタイミングも同時ではないためで、この傾向は画素数が増えるにつれて顕著になっていきます。

ぐにゃり写真の例1 ぐにゃり写真の例2

その反面、CCDと比べて生産環境を整えやすい、駆動回路がシンプルであるため生産がしやすい、小型化が容易、低消費電力といったメリットがあります。CCDを採用するようなコストを掛けられない安価なトイデジカメでは、CMOSが採用されることが多かったため「CMOSタイプの撮像素子は粗悪なもの」というイメージが定着してしまったようです。ところが最近では、高性能なデジタル一眼レフをはじめ、CMOS方式を採用する製品が増えてきています。


デジタル一眼とCMOSのちょっといい関係

デジタル一眼レフで採用されているAPS-Cサイズやフルサイズ(憧れの35mm)など、大型の撮像素子に関してCCDは消費電力においてかなりの不利な点を持つため、大半がCMOSとなっているようです。では、デジタル一眼レフでもトイデジカメのような"ぐにゃった写真"が撮れてしまうことがあるのかというと、決してそんなことはありません。その対策として、電荷の読み出しを開始するときにCMOSに照射する光を意図的に遮断する仕組みが搭載されています。これが「メカニカルシャッター」(機械的なシャッター)です。

CMOSセンサの前面をシャッター幕で覆ってしまえば、一番最初の画素が電荷の読み出しを終了し再び電荷の蓄積をはじめようとしても、シャッター幕で遮光されているので電荷は蓄積されません。これなら、蓄積の同時性が確立できるわけです。ちなみにCCDのスミア発生を抑えるために、メカニカルシャッターを採用しているデジタルカメラもあるらしいのですが、ここらは長くなるので今回は省略させて頂きます。


「メカニカルシャッター」と「電子シャッター」

まず「シャッター」というのはカメラの中にある黒い幕で、銀塩カメラの場合はフィルムの前面、デジカメの場合は撮像素子の前面に置かれます。シャッターボタンを押すと、この幕が開いてレンズから入った光がフィルムまたは撮像素子に当り、設定された時間(シャッター速度)で閉じるわけです。銀塩カメラは、すべてメカニカルシャッターを使っていました。「大人の科学マガジン」の二眼レフを購入した人の中には、シャッターユニットの組み立てに苦労した人も多かったのでは。あれも立派なメカニカルシャッターのひとつです。

一方、デジタルカメラでは電子シャッターという仕組みを搭載しているものが多く存在します。これは撮像素子が光を受け、一定時間に溜まった電気量を取り出す仕組みで、カメラの内部には物理的なシャッターは存在せず、電気的にシャッターの動作を模倣するような仕組みになっています。トイデジカメの多くはこの「電子シャッター」を搭載しています(というかメカニカルシャッター搭載のトイデジカメって、私は知らないです)。


ついでに、最近話題の「裏面照射型CMOS」って?

従来のCMOSはその構造上、CCDに比べて光の利用効率が低くなり、それが高感度対応への妨げになっていました。一般的な撮像素子は、各画素ごとに光を電荷に変える「受光層」の上に「配線層」を乗せる仕組みになっており、光は配線層を通して受光層に届きます。

これはCCDでもCMOSでも変わらないのですが、CCDは電荷をバケツリレーのように順繰りに送るために一層の配線で済みます。これに対してCMOSは、各受光層から個別に電圧を読み出す必要があるため、3層程度の多層配線が必要になります。CMOSは個々の画素の電圧を金属配線で読み出すことから動作が早い半面、受光層を厚い多層配線で覆ってしまうために感度的には不利になります。

その欠点を解決したのが裏面照射型CMOSで、配線層を受光層の下に付けることで感度向上を図っています。と、一言で言ってしまうと簡単なようですが、これを実現するためには多くの技術的な課題を克服する必要があったようです(ここらも今回は省略)。裏面照射型CMOSは、ソニーの「DSC-WX1」「DSC-TX1」、リコーの「CX3」、ニコンの「COOLPIX P100」などで採用されています。下の「関連記事」リンクから画像サンプルを見てみてください。

おしまい

お昼ごはんの仕度ができたみたいなので今回はここまで。たまに小難しい文章を書くと、いつもよりお腹がすきますね。ではでは。
裏面照射型CMOS搭載機の画像サンプル、作例などはこちらからどうぞ。



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