センサー製造のデザインと方法

過去数十年にわたり、携帯電話とスマートフォンのカメラ技術の進化は、相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) 技術における開発の最前線にありました。そしてこのことが、センサーとその製造方法の双方の改善へとつながりました。この間、一般的な製造技術もまた進化し、CMOSセンサーのノイズを減少して、その信頼性が向上しました。

Figure 1: 裏面照射型と表面照射型の画素の構造

CMOSセンサーの構造の変化の一つに、表面照射型から裏面照射型への変更があります。

Figure 2:マイクロレンズがセンサーに対してより広角に入射する光の多くを取り込むのに用いられる

CMOSセンサーデザインのもう1つの大きな改善点は、マイクロレンズを組み込んで光の取り込みを最大化し、センサー効率を向上させたことです。

CCDを凌駕するCMOSの使用度

長年にわたる技術革新の後、いくつかの重要な理由から、CMOSセンサーの使用が電荷結合素子 (CCD) の使用を上回るようになりました。CMOSデバイスは、CCDよりも少ない消費電力で画像を取得でき、製造コストも低いため、より低価格で購入できます (10倍程度異なる)。CMOSセンサー技術が一般的になってきたため、ソニーは2015年2月25日までに、CCDセンサー技術の生産を中止すると発表しました。

より高い解像度を要求するアプリケーション

アプリケーションの要求が厳しくなるにつれて、より高い画質と解像度が求められます。CMOSメーカーは、ピクセルサイズを小さくし、画素数を増やすことで、より解像度の高いセンサーの製作を試みました。これは一定の成果がありました。 しかしながら、センサーノイズの増加など、いくつかの問題も発生しました。この問題に対処するため、メーカーは1.1型より大きいセンサーフォーマットにおいてピクセルサイズを若干大きくする方向に戻しました。この方法により、良好なSN比 (SNR) を維持したままセンサー解像度を向上させました。

Figure 3:センサーのピクセルサイズとセンサー全体のサイズがより高い解像度に対応するため変更されてきた

解像度への要求が高まり続ける中、センサーメーカーは、より大きなセンサーフォーマットを使用するだけでなく、画質を犠牲にすることなくピクセルサイズを小さくする新たな方法を見つけました。新たなセンサーの一例が、2.74µmのピクセルサイズ (3.45µmと比較して37％小さい) を持つ4/3型センサー (対角19.3 mm)、ソニーの第4世代 Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS です。

しかしながら、ピクセルサイズが小さくなり、センサーサイズが大きくなるため、その向上した性能を最大限に活用するのに、光学設計に大幅な変更を加える必要がありました。具体的に、撮像用レンズのデザインに光学素子を追加する必要があり、これによってレンズ系の全体サイズが大きくなり、重量も重くなります。この2つの制約が、レンズ設計者に対して、Cマウントよりも大きく、かつコンシューマー向けのFマウントよりもロバストで信頼性の高いカメラマウントを持つレンズを製作する課題を与えました。

TFLやTFL-II マウントなどのマウントタイプは、フランジ距離がさほど長くなく、APS-C、APS-H、もしくは他のフルサイズセンサーのようなセンサーフォーマットに向けてより大きな口径を採用します。これらのマウントもねじ込み式タイプで、Fマウントなどのバヨネットタイプ (嵌め込み式) に比べて安定性に優れ、重量級レンズに対応し、アライメントの信頼性に優れます。

Figure 4: TFLとTFL-II マウントはより大きな最大センサー対角に対応する

センサーメーカーは、解像度の極めて高い次世代CMOSセンサーを世に出しています。Canon 120MXS CMOSセンサーは、120MPの解像度と2.2μmのピクセルサイズ、またCanon 2U250MRXS CMOSセンサーは、250MPの解像度と1.5μmピクセルサイズを装備します。どちらのセンサーも、業界の一般的なピクセルサイズよりもはるかに小さなピクセルサイズです。Sony Pregiusセンサーの新たな第4世代は、より小さなフォームファクタと約1.7X改善されたイメージング性能を備えます。このセンサーも、ピクセルサイズを3.45μmから2.74μmに縮小しています。

Figure 5:アプリケーションがより高い解像度を要求する中で、センサーのピクセルサイズは縮小化している

マシンビジョンアプリケーションがより高い解像度が要求する中、CMOSメーカーは、個々のピクセルサイズを縮小し、センサーの全体サイズを大きくすることで、画質と実効解像度の向上を継続し続けなければなりません。