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2011.06.29 Wednesday

CMOSイメージセンサー (1)

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    この時期は、過去にも星空の写真を殆ど撮っていないので、撮影や後処理に関してお話させて頂いています。

    第4弾は、「CMOSイメージセンサー」の話をさせて頂きます。



    現在、実用化されている個体撮像素子にはCCDイメージセンサとCMOSイメージセンサーがあります。

    ここではCMOSイメージセンサを簡単に説明します。
    ただし10年以上前の知識なので、一般的な概要と思って下さい。



    構成要素と動作

    ブロック図の例を示します。
    ここで、青線は制御信号の流れ、赤線は画像アナログ信号の流れ、緑線は画像デジタル信号の流れを表しています。



    ピクセル(画素)はフォトダイオードと数個のMOSFETで構成されています。
    フォトダイオードに光が当たると、電子と正孔のペアが発生し、そのうちの電子が溜まっていきます。
    この溜まった電子の量、つまり電荷量を電圧又は電流に変換して読み出します。

    ピクセル(画素)内のMOSFET(MOS型トランジスタ)の1つが、この変換の役目を担います。
    他は、溜まった電荷をリセットする役目と、読み出し時にピクセル(画素)をアクセスする役目を担います。

    ピクセル(画素)は縦横にぎっしりと配置されます。
    例えば「EOS 5DMark供廚任蓮横方向に5616、縦方向に3744、配置されています。(実際にはもう少し多く配置されています。)

    読み出しは行(row)単位で行なわれます。
    例えば1番上の行選択線(WL)によってその行のピクセル(画素)が選択され、各ピクセル(画素)の画像信号がビット線(BL)に出力されます。
    ビット線(BL)は上の例では5616本あります。
    このビット線(BL)の画像信号はCDS回路で一時的に保持され、こんどは列(column)選択線によって、例えば左端から順に共通信号線に読み出されます。
    次は2番目の行が選択され、と続きます。

    画像信号はアナログ増幅回路(GCA)で増幅されます。
    デジタルカメラでISO感度を変えるのは、このアナログ増幅回路の増幅度を変えているのです。
    ピクセル(画素)の感度は変えられないのです。

    アナログ画像信号はアナログ・デジタル・コンバータ(ADC)でデジタル信号に変換されて、チップの外に出力されます。

    CMOSイメージセンサーのチップには、一連の動作を制御するためのデジタル制御回路や、他のアナログ回路が搭載されています。
    デジタルカメラでは、 CMOSイメージセンサーチップから出力された画像信号は画像処理エンジンチップに送られます。

    製造プロセスは、通常のLSI(例えばマイクロプロセッサ)のものと基本的には同じですが、各所にノイズを低減させるための工夫が施されています。



    カラーフィルターとマイクロレンズ

    フォトダイオード自体は色を識別できません。
    そこで、フォトダイオードの上に、3色(R,G,B)のカラーフィルターを配置します。
     配置方法の代表的なものは「ベイヤー配置」と呼ばれるもので、Kodakのベイヤーさんが考案したものです。
    人間の目はG(緑)の分解能が高いので、G(緑)は全体の半分に配置します。
    R(赤)とB(青)は残りの半分づつに配置します。



    このままでは各ピクセル(画素)はRGBのうち1色の情報しか持たないので、他の2色の情報は周りのピクセル(画素)から計算で求めます。

    カラーフィルターの上には、入射した光をフォトダイオードに効率良く集光させるためのマイクロレンズが配置されます。

    なおFoveon社のイメージセンサーは独特の構造をしていて、各ピクセル(画素)毎に3色の情報を直接持っているそうです。



    CCDイメージセンサー

    CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサーは、フォトダイオードに溜まった電荷を電荷のまま転送していき、全画素に共通な回路で電圧信号に変換します。
    一般に、アナログ・デジタル・コンバータ(ADC)はオンチップでは搭載しません。

    CMOSイメージセンサーと比べて、ダイナミックレンジが広くて、固定パターンノイズが小さいと言われています。
    一方で、高速に読み出すのが苦手なので、高画素数化が難しいと言われています。









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