CCDとCMOSセンサーの比較：イメージングに最適なのはどちらか？

このカメラにはCCDセンサーとCMOSセンサーのどちらを使用すべきですか？これらのセンサーを比較する方法はこちらです。

イメージング、コンピュータビジョン、フォトニクスアプリケーションの設計には、適切に機能するための何らかの光学アセンブリとセンサーが必要です。次の光学システムは、幅広い光学コンポーネントを組み込むことになり、イメージングセンサーは光学と電子の世界をつなぐ橋渡しとなります。

センサーの選択には、反応時間、フォームファクター、解像度、アプリケーションなど、多くの要因を考慮する必要があります。CCDとCMOSセンサーの選択は難しいかもしれませんが、システムが画像を解決する速度と飽和を避ける方法を決定します。可視範囲外で作業する必要がある場合は、効果的なイメージングのためにSi以外の代替材料を検討する必要があります。一部のアプリケーションでは、フォトダイオードアレイを使用する方が理にかなっている場合があります。これらの異なるタイプのセンサーと、アプリケーションに適したコンポーネントの選択方法について知っておくべきことはこちらです。

イメージングセンサーとシステム要件

任意のイメージングシステムは、特定の要件を満たすように設計されるべきであり、その多くは光学センサーの選択を中心に展開されます。始めるにあたり、波長範囲に必要な材料を考慮し、解像度、反応時間、線形性などの側面を比較してください。

アクティブ材料と検出範囲

センサーに使用されるアクティブ材料は、感度のある波長範囲、バンドテール損失、温度感度を決定します。アプリケーションに応じて、赤外線、可視光、またはUV範囲で作業しているかもしれません。カメラシステムの場合、可視範囲全体にわたって感度が必要になりますが、熱画像システムを扱っている場合はそうではありません。特殊なイメージングアプリケーション、例えば蛍光イメージングでは、IRからUV範囲までどこでも作業しているかもしれません。

一部のアクティブ材料はまだ研究段階にあり、一部は商業化されたコンポーネントとして容易に入手できます。CCDとCMOSセンサーコンポーネントを比較する場合、アクティブ材料は候補センサーを選択する際の良い出発点です。

• Si: これはイメージングセンサーで最も一般的に使用される材料です。その間接バンドギャップ1.1 eV（約1100 nmの吸収端）は、可視およびNIR波長に最適です。
• InGaAs: このIII-V材料は、約2600 nmまでのIR検出を提供します。その低い接合容量（<1 nF）は、InGaAsセンサーをSMF波長（1310および1550 nm）でのアプリケーションに理想的にします。調整は、In(1-x)GaxAsの化学組成を変更することによって達成されます。InGaAs CCDセンサーは、フォトニクスサプライヤーから市場に出回っており、IBMなどの企業はCMOSプロセスとのInGaAsの互換性を実証しています。
• Ge: この材料は、Siよりも高コストであるため、CCDカメラやセンサーではあまり一般的ではありませんが、全GeおよびSiGe CMOSセンサーは依然として研究のホットトピックです。

画像センサーとして使用できる他の材料もありますが、これらは通常フォトダイオードで使用され、商業化されているわけではありません。可視範囲で作業している場合、Siを使用するのが最適です。これは、約400 nmから約1050 nmの波長で感度があります。IR範囲の深い部分で作業している場合は、InGaAsを使用することになります。Si CCDおよびCMOSセンサーはUV波長にも使用できますが、センサーに特別な表面処理が施されている場合に限ります。

CCDおよびCMOSセンサーには、モノクロ画像を形成したり特定の波長をフィルタリングするために、しばしばカラーフィルターが使用されます。IR波長を除去するために、シャープカットガラスフィルターや薄膜がCCDおよびCMOSセンサーに使用されることが一般的です。

フレームレート、解像度、ノイズ

フレームレートは、検出器からデータが読み出される方法によって決まります。検出器は離散的なピクセルで構成されており、ピクセルからデータを順番に読み出す必要があります。ピクセルを読み出す方法が、画像や測定値を取得できる速度を決定します。CMOSセンサーはアドレッシング方式を使用し、センサーと各ピクセルが個別に読み出されます。これに対して、CCDはグローバル露光を使用し、ピクセルの各列をシフトレジスタのペアとADCで読み出します。

これらのセンサーが読み出しに異なる方法を使用するため、さまざまなセンサーモジュールには異なる統合コンポーネントが必要です。ここからが実際の比較の始まりであり、統合された電子機器がノイズ指数、線形性、応答性、色深度（再現できる色の数）、検出限界を決定します。下の表は、CCDおよびCMOSセンサーの重要なイメージング指標の簡単な比較を示しています。

| | CCD | CMOS | | ---------- | ---------- | ---------- | | 解像度 | 100+メガピクセルまで | 100+メガピクセルまで | | フレームレート | 低フレームレートに最適 | 高フレームレートに最適 | | ノイズ指数 | ノイズ床が低い → 画像品質が高い | ノイズ床が高い → 画像品質が低い | | 応答性と線形性 | 応答性が低く、線形範囲が広い | 応答性が高く、線形範囲が狭い（早期に飽和） | | 検出限界 | 低い（低強度でより敏感） | 高い（低強度での感度が低い） | | 色深度 | 高い（高価なCCDでは16+ビットが一般的） | 低いが、CCDに匹敵するようになってきている（一般的には12-16ビット） |

フォトダイオードについてはどうでしょうか？

これは公平な質問です。なぜなら、フォトダイオードアレイも1Dまたは2Dの強度測定を収集するために使用できるからです。フォトダイオードはCCDまたはCMOSセンサーのアクティブ要素であることに注意することが重要です。これら3種類のセンサーは、デバイスからデータが読み出される方法が異なります。フォトダイオードアレイは共通カソード構成で構築されているため、データはデバイスから並列に読み出されます。これにより、フォトダイオードはCCDおよびCMOSセンサーよりも速くなります。しかし、フォトダイオードごとに2本のワイヤーを使用するため、アレイ内のフォトダイオードの数は少なくなります。100x100ピクセルのフォトダイオードは、20,000の電気リードを持つことになります。これがすぐに非現実的になることがわかります。

フォトダイオードを使用するもう一つのオプションは、レーザーダイオードで視野を機械的にラスタースキャンし、反射/散乱光を収集することです。このポイント測定アプローチは、UAVおよび自動車用ライダーシステムで使用されます。この方法では、フレームレートがスキャンレートと平均化時間によって制限される低解像度の画像を形成できます。このアプリケーションでは、CCDおよびCMOSセンサーは、より高い解像度と同様のフレームレートのおかげで依然として勝っています。

自動運転車のためのラスタースキャンされたライダー画像の例。画像の右側にバスがあることに注意してください。画像提供: Baraja.

イメージングシステム設計において、CCD対CMOSセンサーアレイを見つけて検証することは重要なステップです。Octopartでこれらのコンポーネントやその他多くのものを見つけることができます。

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