イメージセンサとは?基本的な知識・種類などを分かりやすく解説

    こんにちは!
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    デジカメが欲しいと思ってリサーチしていたのですが、イメージセンサの種類が数種類あるのですね。

    イメージセンサにはCCDセンサやCMOSセンサなどがあり、それぞれ特徴が違いますよ!イメージセンサは製造現場の色々な工程でも使われていますね。

    イメージセンサはデジタルカメラやスマートフォンなどの映像を取り込む部分に使用されているセンサです。また、カメラだけでなく、FAXやスキャナーなどにも使用されています。

    イメージセンサは我々の生活にとって非常に身近な存在です。それだけに、近年はイメージセンサの小型化高画質化高速化が進んでいることをよくご存知でしょう。

    実は、現在の製造現場でも多くの検査工程があり、見えない部分にイメージセンサが搭載されています。つまり、イメージセンサを有効活用することで、省人化省力化品質向上も可能です。

    そこで、本記事ではイメージセンサの種類とそれぞれの特徴について解説し、更にイメージセンサの主要メーカーについて紹介しました。

    イメージセンサを理解し、コストダウンや品質向上を実現させましょう。

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    イメージセンサとは

    イメージセンサとは光センサの一種で、光の強度を検出するセンサとなります。以下の手順で対象物の色や形をデジタルデータとして保存するものです。

    1. 対象物から発した光を受光
    2. 受光した光の明暗を電気信号に変換

    イメージセンサの方式は主に次の3種類

    • フォトダイオード
    • CCD
    • CMOS

    上記の中でも画像センサの場合には、CCDCMOSのイメージセンサが使用されます。では、どのようなところで使用されているのでしょうか。

    イメージセンサが利用されるシーンとしては、主に次のようなものがあります。

    • 汚れや傷の検査
    • 異なるワークの混入ラインでの検査
    • 異種混入検査
    • 組み付け検査
    • 2次元コードの読み取り
    • 部品などの位置決め

    製造業界だけでなく、医療業界などでも有効活用中です。下の動画は三菱電機のロボットを使用した自動車部品の外観検査システム。高精度な画像検査により、品質の向上が期待できます。

    ところで、光の情報をどうやって電気信号に変換しているの?

    イメージセンサの仕組み

    前述した通り、イメージセンサは光の強弱や色を検出して電気信号に変換するという仕組みです。その為には下記の2点が必要となります。

    • 階調
    • カラーフィルタ

    上記2点について詳しく解説しましょう。また、併せてイメージセンサの単位である「画素(ピクセル・pix)」についても解説します。

    イメージセンサは「画素」の集合体

    イメージセンサは小さなセンサが集まって1つのイメージセンサとして機能しています。そして、この1つのセンサの単位が「画素」または「ピクセル(pix)」です。

    デジタルカメラの仕様を見ると、「1200万画素」や「10.1Mpix」などと表記されているのもイメージセンサの画素数を表しています。

    実は、単純に画素数が多いから良いというものではありません。基本的に画素数とイメージセンサ自体の大きさは比例することになります。しかし、全体に大きなイメージセンサでは装置に組み込むことができず使い物にはなりません。

    つまり、小さな部品に多くのセンサを詰め込むことが重要になります。

    イメージセンサの階調とは?

    イメージセンサにおいて、光の強弱を表す為に数値に変換します。この数値が「階調」です。

    階調は一般的には0から255の256階調(もっと分解能の高い場合もある)で下記のように表します。

    • 0:最も暗い状態(黒い状態)
    • 255:最も明るい状態(白い状態)

    これは1画素辺りの階調。つまり、1200万画素のイメージセンサを使用する場合、1200万個のセンサ1つ1つが256階調を表すことになります。

    ただし、これはモノクロのイメージセンサの場合。カラーの場合には更に複雑になります。

    イメージセンサとカラーフィルタ

    イメージセンサは基本的にはモノクロ画像です。では、カラー画像として処理する場合にはどのような処理が必要なのでしょうか。

    実は、カラー画像として処理するには「カラーフィルタ」が必要です。イメージセンサにカラーフィルタを組み合わせることで、光に色情報を与えることが可能。カラーフィルタには単板式や多板式などの分解方式があります。

    また、階調と同様に1画素単位でカラーフィルタが取り付けられているため、イメージセンサ全体となると膨大な情報量です。

    ところで、CCDセンサとCMOSセンサはどう違うの?

    CCDセンサとCMOSセンサの違い

    画像センサとして使用されるCCDセンサとCMOSセンサはどのようなものでしょうか。また、それぞれにどのような違いがあるのかについても解説しましょう。

    CCDセンサ、CMOSセンサはそれぞれ下記の略称です。

    • CCDセンサ(Charge Coupled Device)
    • CMOSセンサ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)

    CCDセンサは画素毎にあるフォトダイオードで受け取った光の信号を電気信号に変換し、隣り合った素子に電荷を受け渡すという構造です。イメージ的にはバケツリレー。最終的に集まった電荷をアンプによって増幅して出力するという方法を取っています。

    一方、CMOSセンサはフォトダイオードとトランジスタによって構成されています。画素単位でフォトダイオードによって受け取った光信号をトランジスタによって増幅して出力するという仕組みです。

    それでは、具体的な特徴やメリット・デメリットについて考えてみましょう。

    それぞれの特徴とメリット・デメリット

    CCDセンサとCMOSセンサの特徴を表にまとめました。

    CCDセンサCMOSセンサ
    消費電力
    処理速度
    画質
    機能
    価格高価安価
    CCDとCMOSの違い

    消費電力、処理速度や機能面を考慮するとCMOSの方が圧倒的に有利です。

    大きな理由として、増幅器の数が考えられます。CCDは全画素に対して1つの増幅器が必要ですが、CMOSの場合は各画素ごとに増幅器が必要です。増幅器の数は画質の良さに直結するので、CMOSの方が画質は良くなります。

    また、CMOSセンサは指定した範囲のみ読み出し可能なAOIや一部の画素の読み出しをスキップできるサブ・サンプリング機能が使用できます。CCDセンサでも同様の機能はありますが、柔軟性や使用範囲が制限されるので現実的ではありません。

    イメージセンサとしてCCDセンサは最近はあまり使われていない?

    CCDセンサとCMOSセンサのメリット・デメリットを考慮すると、価格・処理速度や画質という面でCMOSセンサが有利と言えます。更に、消費電力について考慮した場合もCMOSセンサを選ぶべき。

    したがって、近年ではCCDセンサが使われなくなってきました。この流れはこれから更に大きくなり、CCDセンサの製造や利用も減少傾向となるでしょう。現に開発の主流はCMOSセンサに移っています。

    では、国内の代表的なメーカーについても紹介しておきましょう。

    イメージセンサの代表的なメーカー

    国内にはイメージセンサのメーカーが数社あります。その中でも代表的なメーカーは下記の4社でしょう。

    • シャープ
    • 浜松ホトニクス
    • ソニー
    • パナソニック

    それでは、各社の特徴などをもう少し詳しく見ていきましょう。

    シャープのイメージセンサ

    シャープの主流はCCDイメージセンサでした。しかし、近年はCMOSイメージセンサにも注力しており、318万画素から3327万画素までのラインナップを取り揃えています。

    シャープのイメージセンサは、スマートフォン搭載カメラ、高性能な業務用カメラや4K対応のデジタルカメラなどに広く利用されています。

    浜松ホトニクス

    浜松ホトニクスという企業名は一般には知られていないかもしれません。しかし、技術力の高いイメージセンサメーカーとして高い評価を得ている企業です。

    浜松ホトニクスでは幅広い波長範囲に対応した200種類以上のイメージセンサを製造・販売しています。また、OEM製品もあるので、浜松ホトニクス製でないと認識されている製品も多いかもしれません。

    産業用イメージング、顕微鏡、距離測定など多くの分野で利用され、性能の高いイメージセンサとして広く認識されています。

    ソニー

    ソニーのイメージセンサで最も身近に感じられるのが、スマートフォンのカメラ機能です。ソニーのスマートフォンと言えば、XPERIA。もしかするとあなたも、XPERIAの評判を耳にしたことがあるかもしれません。

    ソニーのイメージセンサは市場のトップシェアを握っています。また、常に革新を続け、高感度裏面照射型や積層型CMOSイメージセンサなどの高性能なイメージセンサを開発。

    スマートフォンだけでなく、デジタルカメラや車載カメラなどにも広く利用されています。

    パナソニック

    パナソニックのCMOSイメージセンサは、「SmartFSI®」技術を採用、逆光撮影・動体ブレ抑制・近赤外光撮影対応の高感度・低ノイズ・高い色再現性を実現したCMOSイメージセンサを開発しています。

    主な商品としては次の2種類。

    • 監視・産業・医療用イメージセンサ
    • 放送・デジタルカメラ用イメージセンサ

    多様化する要求に応えることが可能です。

    イメージセンサについてまとめ

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    本記事では、イメージセンサとはどのようなセンサなのかということについて詳しく解説してきました。それでは、もう一度記事を振り返ってみましょう。

    イメージセンサは、対象物から発した光を受光し、光の明暗を電気信号に変換するセンサです。イメージセンサの方式としては下記の3種類。

    • フォトダイオード
    • CCD
    • CMOS

    特に画像センサとしては、CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサがよく用いられます。CCDとCMOSにはそれぞれ特徴がありました。しかし、最近はCMOSの技術開発が進み、画質、処理速度や価格などのメリットが大きくなったことで、CMOSの利用が増えています。

    また、記事内では代表的な国内のイメージセンサメーカーとして、下記の4社を紹介しました。

    • シャープ
    • 浜松ホトニクス
    • ソニー
    • パナソニック

    イメージセンサ自体を消費者が直接手にすることはほとんどありません。しかし、様々な装置に組み込まれているので、実際は身近な存在です。

    そして、イメージセンサを製造現場で有効活用することで、生産性や品質の向上が期待できます。この機会に再度イメージセンサの活用方法を検討してみてはいかがでしょうか。

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