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光と光の記録　---　記録編 （2024.03.01更新）　

	このコンテンツは、Dreamweaver CS6で制作しています。

　

　

　　

　

　

　

　

目　次

　 　

■　光の記録

　 　 　

 

■　光を電子に換える材質　（2006.11.04）（2007.11.18）（2020.05.19追記）

 

光と電子との関わりがわかるようになったのは、20世紀の初めでした。

今でも多くの人は、光と電子の間には直積的な関係はなく、全く別のものというイメージを強く持っています。

電気は恐いけど、光に関しては寛容です。 そうした性質の違う両者は、実はかなり深い関係があることがわかって来ました。

性質の全く異なる両者は、実は仲が良いのです。

光と電気、いや電子は、実は密接な関係があって、原子レベルでは電子と光は絶えずエネルギーの授受を行っています。電子が放出するエネルギーが、光を含めた電磁波であり、電磁波からのエネルギーを受けて電子は運動します。

熱も赤外域の電磁波です。

物質は、熱によって分子レベルで運動が活発になり、固体から液体、気体に変わります。

分子が活発に運動する中で、自らも熱を発します。

金属などは、固体から液体に変わると大量の熱と一緒に光も放出します。

これらはすべて、分子や原子の運動に伴って電子が放出する電磁波なのです。

結論を述べると、光（電磁波）の存在は電子の助けなしにはあり得ないのです。

　

 

【光と電子の関係 - 最初の発見者 ヘルツ】

 

光と電気、いや、電子は双方密接な関係があり、原子レベルでは電子と光は互いに絶えずエネルギーを受け取り合っています。

1887年、ドイツのヘルツ（Heinrich Rudolf Hertz: 1857 - 1894）は、イギリス人（スコットランド人）のマクスウェルによって数式で導きだされた電磁波理論の追試を行っているとき、放電電極に「紫外線」を当てると放電が起きやすくなることを発見しました。

 

ヘルツは、電磁波の実験になぜ光（紫外線）を使ったのでしょう。

彼は、追試実験で放電ギャップを使って放電を起こし（下図参照）、それを15メートル離れた位置にコイルで作った受信器を置いて放電観察を行っていました。（放電をおこして受信部で放電を受信すると、受信部のギャップ部間で放電がおきるので、これを確認していた）。

そのときに、たまたま、その発見をしたのです。

彼は、受信部の放電を肉眼で確認していたので、弱い光だと受信したかどうかわからないために、強い受信信号が欲しくていろいろな工夫を施し、その一環として光の照射（特に紫外線）を行ったというわけです。

最初、彼は受信部の放電を見やすくするために、受信部を暗箱で覆ってわずかな発光をする放電の観察を行いました。

そうしたところ、受信部の放電発光は見やすくなるどころか、とたんに何も見えなくなってしまいました。

そこで、暗箱のパネルを一つづつ外して行って、見やすい最適な配置を見つけて行きました。

そして、観測窓を送信側に設けると、他に配置したときよりも受信部での放電がおきやすくなることがわかりました。

また、観測窓に通常のガラス材を用いると、放電がにわかに鈍るのに対して、石英窓にするとかなりはっきりと放電が認められるようになり、距離を15mに離しても放電が認められたのです。

 

彼は、このようにして、放電発光に関して何らかの光が関与していると考え、プリズムを使って受信部に特定波長の光を与えていったところ、紫外線が放電を促す強い効果があることをつき止めたのです。

ヘルツ自身は、空中を伝わる電気現象の解明に集中していたため、彼が発見した光と電子による現象を深く掘り下げることはしませんでした。

それに、ヘルツはこの現象を発見した7年後、36才の若さで敗血病のため他界してしまいます。

当時、「電子」という概念はありませんでした。

 

ヘルツの発見の翌年の1888年、同国の物理学者ハルヴァックス（Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs:1859 - 1922、ヘルツの門下生）は、光と電気に関する研究を別の実験で検証し、照射する光は短い波長であればあるほどこの傾向が強いことを再度確認しました（下左図参照）。

ハルヴァックスは、亜鉛板に紫外光を照射させ、この板を負に帯電させた検電器に接触させたところ、検電器内の電荷が急速に無くなることを確認しました。

また、亜鉛に紫外線を照射させていない時は、検電器の挙動は緩慢であり、逆に検電器を正に帯電させておくと開いた金箔が閉じることはありませんでした。

さらに、20年後の1902年、同国のフィリップ・レーナルト（Philipp Eduard Anton von Lenard：1862 - 1947：ヘルツの弟子、1905年ノーベル物理学賞受賞）によって、陰極線（=電子線）と光に関するさらなる興味深い研究成果が得られました（上右図参照）。

レーナルトは特殊な電子管をあつらえて、陰極に強力な炭素アークランプを照射し、それによって流れる電気の度合いを調べたのです。

また、炭素アークランプにプリズムを装着して任意の光を取り出すようにし、光と電気の流れる関係を調べました。 その結果、興味ある両者の関係を導きだすことができました。

その関係とは、以下に述べるものです。 　

 

・ 光によって電気が流れるためには、最小の印加電圧（バッテリの電圧）が必要であった。

　　この電圧以下では、どんなに強い光を与えても電気は流れない。

・ 電気が流れる条件の光では、照射する光量を2倍にすると流れる電気は2倍になった。

・ すべての光によって電気は流れるわけではなく、波長が短い光ほど容易に電気を流すことができた。

　赤色の光は、どんなにたくさんの光量を与えても電気を流すことができなかった。 　

 

この現象は、当時の物理学では解き明かすことができない大きな問題でしたが、1905年にドイツの物理学者アインシュタイン（Einstein、1921年ノーベル物理学賞受賞）が両者（光と電子）の関係を説明し、光が粒子（光子 = hν）からなるというドイツの物理学者プランク（Planck）の光量子仮説を裏付ける結果を導きだしました。

 

これら光量子説の構築において、レントゲン（Wilhelm Konrad Roentgen、1845-1923）が1895年に発見したX線は、彼らに多大なるヒントを与えました。

 

光の振る舞いをし、かつ、電子に近い性質を持つ電磁波（X線）は、光と電子を結びつける量子物理学の道を開いたと言っても過言ではありません。

 

今でこそ、

「光は電磁波であり、電波のマイクロ波、赤外線、紫外線、X線と連綿と続く一連の波長の範囲の一部である」 　

 

と、極めて理解の良い説明が与えられていますが、当時はその概念はなく、「光は電磁波である」と唱えたマクスウェル理論の追試を行っている途上にありました。

その途上に電子線が現れ、放射線が現れたのです。

これら諸物性をどう説明するか。それが当時の大きな問題だったのです。

 

レントゲンがX線を発見した当時、「電子」という明確な概念はありませんでした。

レントゲンが高電圧発生装置を使って強い電子線を作り、不思議な放射線（X線）を発見したにも関わらず、電子線が電子からできていることを理解していなかったのです。

電子は、X線の発見の2年後の1897年に、英国人物理学者J・Jトムソン（Sir Joseph John Thomson：1856 - 1940：1906年ノーベル物理学賞受賞）によって解明されます。

■　光電子（Photoelectron）

光の働きによって個体から放出される電子や、個体内部で励起したり移動する電子を光電子と呼びます。

光子（フォトン = photon）とは違います。光子は光をエネルギーの粒（粒子）としてとらえるときの呼び名で、1フォトンは、hν（hは、プランク定数、νは、光の周波数）で表されます。

光エネルギーによって電子が励起したり放出する現象を光電効果と呼んでいますが、最初に発見された光電効果は光を金属に当てると金属表面にある電子が遊離する現象でした。

遊離した電子は、電場があれば引き出されて正極に向かいます。

この関係を端的に表したものが、以下に示す数式です。

 

E_p = 1240/λ ［eV］　　・・・（Rec -1）

 

　　E_p：　光子エネルギー（eV）

　　　　　　eVは、エレクトロンボルトと読み、電子を真空中で1Vの電位差で加速したときの電子が

　　　　　　得るエネルギー量を示す。

　　　　　　1 eV = 1.60218 x 10 ^-19 （J）

　　1240：　hc（ = プランク定数と光速の積）を1eVで割った定数。

　　λ：　光の波長（nm）

　　

上の関係は、電子と光を論ずる時に重要な関係式です。

ある波長λ（nm）の光は、E_pという電子換算エネルギー（eV、エレクトロンボルト）を持っていて、この電位差がないと光は放出されないことを示しています。

発光ダイオードを作るときにもこの関係式は重要で、半導体素子のエネルギーギャップをこの理論エネルギー以上にしないと発光しないことを示しています。

例えば、赤色（650nm）LEDであれば1.9V以上が必要であり、青色（420nm）LEDであれば2.9V以上の電位差が必要となります。

短い波長ほどエネルギーが高いことがわかります。

　 　

 

▲　光電面（光陰極、Photo Cathode）

光電効果は、高い量子エネルギーの光が金属に当たると電子を放出する働きを言います。

この作用を効率よく作用させる部位を光電面と言い、光 → 電気に変換させる重要なものとなります。

光電面には、従来、以下の金属が使われて来ました。

銀（Ag）、セレン（Se）、セシウム（Cs）、カリウム（K）、ナトリウム（Na）、

テルル（Te）、ガリウム（Ga）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）などの金属。

硫化カドミウム（CdS）、一酸化鉛（PbO）、セレン化カドミウム（CdCe）、

三硫化アンチモン（Sb2S3）、ガリウムヒ素（GaAs）などの金属化合部。

これらの材料は、光に対して反応が良いものです。

光電面材料は、量子エネルギーの低い赤色部（赤外部）に反応して電子を放出する素材が求められ、その開発が続けられてきました。

本来、物質はすべて光に反応します。しかし、電子として取り出せる材料には限りがあります。

光電効果に対して効率よい物質を求めてきたのが光電面開発の歴史です。

光電装置の最初の装置は、セレンを使った光電管でした。

最近では、シリコンが従来の高価な金属に変わって使われだしています。

フォトダイオードは、ほとんどの場合シリコンで作られていますし、CCDカメラの撮像素子もシリコンでできています。

シリコンはなぜ光に反応するのでしょうか。

　 　

 

■　シリコン（silicon）　-　現代の光産業・電子産業の主役

シリコンが光に対して敏感であることがわかったのは、80年ほど前（1940年）のことです。

金属が光に対して反応し電気を発生することは、シリコンを使った発見よりもさらに70年も前の1873年、イギリスの電信会社に勤めていた技術者スミス（Willoughby Smith： 1828 - 1891）によって発見されます。

そのときの金属がセレン（Se、Selenium）でした。

そもそもシリコンが電気を通すなどということなど、当時は知る術もありませんでした。

それが、トランジスタの発明を契機としてシリコンの素姓が徹底的に調べつくされ、現在では半導体電子機器部品の主役にまで上り詰めました。

 

▲　シリコン　-　光反応の発見 シリコンが光に反応することを突き止めたのは、ベル電話機研究所のRussell Ohl（ラッセル・オール： 1898 - 1987）とJack Scaff（ジャック・スカッフ： 1908 〜 1980）でした。

1940年のことです。

彼らは、トランジスタを発明した同じベル電話機研究所のショックレー、ブラッテン、バーデンらよりも先に半導体の組成の研究をしていた研究者です。

1939年8月、第二次世界大戦の勃発直前、ベル電話機研究所のラッセル・オール（Russell S. Ohl）は、高純度のシリコンを作る研究を同じ研究所で金属研究者であったジャック・スカッフ（Jack Hall Scaff）に依頼しました。

彼は、融けたシリコンを使って部分的に高純度化する方法を採用します。

これは、ゾーン・リファイニング（帯溶融精製）として知られる技術で、戦後（1952年）、ベル電話機研究所のプファン（William Gardner Pfann： 1917.10〜 1982.10）によって確立された手法でした。

 

彼らの技術革新によって、シリコンが半導体の寵児となっていきました。

 

1940年のある日、ラッセル・オールは、数ある試験鉱石の中の一つである直径0.3mm、長さ25mmの細いシリコン棒におもしろい現象があることに気づきました。

シリコン棒に光が当たると電気が起きたのです。

彼がこれに気づいたのは、電気スタンドとシリコン棒の間に扇風機が回っていて、扇風機のゆっくりした動きに合わせて電気スタンドから照射される光がシリコン棒に遮られ、シリコン棒に接続した電流計が扇風機の動きに合わせて動き出したためでした。

シリコンに影ができると針は下がり、光が当たると針が大きく振れました。

これが、シリコンが光に反応して電気を起こす現象の最初の科学的発見でした。

しかしながら、この発見はシリコンの光の起電力という観点よりも（つまり、シリコンで発電できるという発見よりも）、半導体のP型とN型構造によって電気が流れるという発見の方が関心が大きく、これを契機にトランジスタの発明につながって行きました。

現代にあっては、半導体素子と言えばシリコンですが、トランジスタが発明された当初、半導体と言えばゲルマニウムが主流でした。

ラッセル・オールらが基礎研究をおこない、P型N型の半導体発見の口火を切ったシリコンであったのに、初期のトランジスタではゲルマニウムに主役の座を譲ってしまいました。

その理由は、当時、シリコンの精錬は難しく、ゲルマニウム結晶の方が得やすかったからです。

シリコンが脚光をあびるようになったのは、シリコン単結晶の製造法（ゾーン・リファイニング）が確立された背景要因がまず一つあげられます。

さらにもっと大きな要因は、シリコン素子による高集積化の確立からです。 シリコンは、簡単に酸化皮膜を作ることができ、酸化皮膜は電気を通しません。

酸化皮膜をミクロン単位の線巾で描くことができるようになり、シリコン基板上に精緻な回路を作ることができるようになりました。

小さな面積に、10個、100個、1,000個という具合にトランジスタを描き作ることができるようになったのです。

これが集積回路（Integrated Circuit、IC）の発展につながり、CPU（Central Processing Unit）の発明を促し、メモリの高集積化・大容量化を生み、CCD（Charge - Coupled Device）の発明につながっていきました。

ゲルマニウムではICが作れなかったのです。

 

▲　シリコン　-　物性 シリコンそのものについては、「AnfoWorld 別館　奇天烈エレキテル　シリコンって何物？」「同　半導体物質」を参照下さい。

シリコンの純粋な結晶は、ガラスやダイヤモンドと同じように絶縁体であり、電気を通すことがありません。

結晶構造がしっかりしているので電子を捕縛したり遊離することができないのです。

しかし結晶の中に異種の元素を入れてやると、その部分に原子結合の歪みが生じます。

原子の中のあるもの（ガリウム、ホウ素、インジウムなど）は、電子の手が3本しかないので、シリコン結晶中に入るとシリコンの4本の手の内3本までは握手（共有）ができるのに、残りの1本は空いてしまい電子を欲しがるものになります（ホール素子、P型半導体）。

また、別のあるもの（ヒ素、リン、アンチモンなど）は、電子の手が5本あってシリコンの4本の手とすべて握手しても1本余ってしまい、電子を持ったままぶらぶらさせることになります。

これは電子を与えやすいキャリア素子、つまりN型半導体となります。

そうしたシリコン原子と電気的な結合がわずかに違う原子をシリコン結晶中にわずかに打ち込んでやると、絶縁シリコン結晶から半導体結晶ができあがります。

これが、P型（電子を欲しがる）半導体と、N型（電子を持っている）半導体となります。

初期の半導体は、P型とN型の二種類の半導体を別々に作ってこれを接触させてダイオードやトランジスタを作っていました。

その後、一つの半導体結晶にP型とN型を作り込む接合型半導体ができました。

こうした半導体の製造は、とても高度な技術が要求されます。

基板となるシリコンは、99.999999999%（イレブン・ナイン）の精度で精錬し結晶を作らなくてはなりません。

その結晶板を使って、その中に不純物（価電子の違う金属）をドーピングし、N型もしくはP型半導体を作ります。

CCDのフォトダイオードもこのようにして作られます。

　 　

 

■　光電効果（Photoelectric Effect）　（2007.04.09）（2007.12.25追記） 　

 

光と電子の相互関係を示す光電効果は、以下のような分類ができます。

 

▲　光電子放出効果（Photoelectron Effect）

この性質は、歴史的に比較的早くから現象としてわかっていたもので、光子の概念を構築する発端となったものです。

この効果は、端的に言うと光に反応する物質に光を照射させると電子が遊離して表面から飛び出すというものです。

光電管（真空管）はこの原理を利用しています。

また、暗視カメラに使うイメージインテンシファイアや、高感度光検出素子であるフォトマルチプライア（photo multiplier）にもこの原理が使われています。

 

▲　光導電効果（Photoconductive Effect）

この性質は、端的に言うと、光を光に反応する物質に照射すると抵抗値が変わって電気を通しやすくするというものです。

このような物質を光導電体といいます。

光導電体は半導体か絶縁体に限られ、金属単体ではこうした性質を持ちません。

代表的なものは可視光域では、シリコン、酸化鉛（PbO）、セレン化カドミウム（CdSe）、無晶形セレン（Se）、硫化カドミウム（CdS）などがあります。

光導電効果を持つ材料は、撮像管の光電面として使われました。

 

▲　光起電力効果（Photovoltaic Effect）

この性質は、言ってみれば太陽電池のようなものです。光を受けると電気を発するというものです。

太陽電池といえばシリコンが有名です。

シリコンがこの性質を最も顕著に持っていると言って良いでしょう。

シリコンの他に光起電力を起こすものとして、ゲルマニウム（Ge）や硫化鉛（PbS）、セレン化鉛（PbSe）、インジウムヒ素（InAs）、インジウムアンチモン（InSb）、水銀カドミウムテルル（HgCdTe）、鉛錫テルル（PbSnTe）があります。

ただし、シリコン以外の物質は赤外域に感度を持っていて、可視光には感度がありません。

　

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■　光の記録原理 その1 - - - 1次元記録　（1998.01）（2006.11.19追記） 　

 

光を定量化する測定機器を考えて見ましょう。

光を検知する材料としては、セシウム、ナトリウム、カリウム、などのアルカリ金属があり、銀なども光に良く反応し、ガリウム、ヒ素、テルライド、シリコンなどの半導体も光に反応する性質を持ちます。

これらの素材は、アインシュタインの発見した光電効果で説明のつくものであり、量子エネルギーの小さな可視域（赤色）から赤外域まで感度を持たせた複合材料も開発されています。

ここでは主に可視光域について感度のある検出装置について特徴を述べます。

　 　 　

■　フォトチューブ（光電管 = Photoelectric Tube）

フォトチューブ（光電管）は、光電効果を利用した最もシンプルな光検出素子です。

銀、セシウム、ガリウム、ナトリウム、テルル、ヒ素などの光に反応して電子を放出しやすい材質（これを光電素子と呼ぶ）を真空状態のチューブ（真空管 = 電子管、Electron Tube）の中に入れて、これを陰極とします。

陽極（プラス極）と光電面である陰極（光陰極、photo cathode）の間に、ある電圧を加えると光が当たった強さに比例して光電子が放出され、プラス電極に向かって電流が流れるようになります。

この電流により、回路に組み込まれた抵抗間（出力抵抗RL）で電圧（E）が発生します。 （右図参照）

フォトチューブは、映画フィルム端に光学的に記録された音声信号を取り出す際のエキサイターランプとしての応用が代表的なものでした。

通常のフォトチューブは、印加電圧が 5 〜 30V程度で 1:100 程度のダイナミックレンジ（光の強さの度合）を持ちます。

印加電圧を高くすれば電子が加速されやすく応答性がよくなります。

2,000V程度まで印加できるフォトチューブがバイプラナ光電管（biplanar photo tube）として市販されています。

こうしたフォトチューブは、印加電圧が高いので応答がよく10ps程度の性能を持っています。

高速応答性のチューブは、パルスレーザの発光時間を測定するのに使われています。

光電管に使われている光電面の発達が撮像管（Imaging Tube）の発展を促しました。

撮像管とは、ビジコンとかサチコンなどと呼ばれているCCD固体撮像素子ができる前に活躍していたテレビ（ビデオ）カメラの眼のことです。

　

 

■ フォトマル（光電子増倍管 = Photo Multiplier） フォトマルチプライア（フォトマル = photo-electric multiplier、 光電子増倍管）は、光電面から放出された電子を二次電子放出する電極に衝突させ、これを何回も繰り返して、ねずみ算的に2次電子を放出させる真空管です。

2次電子放出電極は、通常10段程度あり−1,000〜−2,000Vに印加された光電面から100〜200Vの電圧間隔で電極が配置されています。

その結果、光電子増幅度は1,000,000以上に達し、非常に感度の良い光検出素子ができあがります。

2次電子を受ける陽極は、バイアス抵抗を挟んで接地（グランド）されているため、出力（E）はバイアス抵抗間に流れる光電子で起電される負極性の電圧となります。

バイアス抵抗を低くとっているため出力インピーダンスが低く、たくさんの電流を要求する測定器でも十分に流すことが可能です。

光の応答は、2次電子電極を用いている関係上フォトチューブより悪く１ナノ秒程度となります。

またフォトマルの受光部（光電面）の大きさによっても応答速度が変わり、大きなものでは4ナノ秒の応答となります。

フォトマルは、非常に感度が良いので、微弱な光の検出や、分光器の射出口に取り付けて分光分析などに使われています。

小柴昌俊東京大学名誉教授（ノーベル物理学賞受賞）の研究で有名になった神岡鉱山跡に設置されたカミオカンデのニュートリノ検出器にも大口径のフォトマルチプライアが使われています。

このフォトマルは、口径が500mm以上もあり、大きな光電面で非常に微弱な光を検出しています。

光増幅は1000万倍と言われています。

 

 

▲　スーパーカミオカンデ（Super-Kamiokande、Super-K）

フォトマルの使われている代表的な事例を紹介します。

小柴昌俊東京大学名誉教授（ノーベル物理学賞受賞）の研究で有名になったスーパーカミオカンデに使われているニュートリノ検出器には、大口径のフォトマルチプライアが使われています。

（モデルR3600。設計製造は、浜松ホトニクス株式会社）

このフォトマルは、口径が500mm以上あり、重量が約8kgもある大きなエチゼンクラゲのような形をしたガラス真空管でできています。

形状が大きいのは、大きな光電面で非常に微弱な光を検出するためです。

その光増幅率は、1000万倍と言われています。

1000万倍の光増幅を達成するために、フォトマルにかけられる電圧は最大2,500Vとなっています。

光電面は、350nm〜650nm（ピーク感度波長は420nm、量子効率20%）の感度を持っていて、チェレンコフ光の青白い微弱な光を検出するために青色域に感度を持たせています。

その材質は、バイアルカリ（Sb-K-Cs）であり、1700cm²（直径46cmの円状）の大きな光電面で受ける微弱光は、11段の増幅段（ダイノード）を経て2次電子を作り出し最大100uAの電流を取り出すことができます。

この素子の光の反応は、10nsで応答し、光がフォトマルに入って電気信号として取り出すまでの遅れは95nsです。

また、短いパルス光に関しては、5.5nsまでのパルス光を検出できます（Transit Time Spread ［FWHM］）。

スーパーカミオカンデは、岐阜県の神岡町（岐阜県飛騨市神岡町池の山）の鉱山跡地に1995年に建設されたニュートリノを検出する巨大水槽と計測装置からなる設備です。

初代の設備は、1983年に建設されたカミオカンデですが、スーパーカミオカンデの完成によってその役目を終えています。

 

スーパーカミオカンデは、地下1000mに直径39.3m、高さ41.4mの円筒型水槽が埋設されて、ここに50,000トンの純水が満たされています。

この水槽は、さらに内側と外側の2重構造となっていて、内側水槽（直径36.2m、高さ33.8m、容積32,000m3）はステンレス構造体で作られ、11,146本の20インチフォトマルが全水槽を覆うように配置されています（上面・下面各1,748個、側面7,650個）。

外側水槽には、8インチ口径1,885個のフォトマルが内側水槽との仕切壁側に外向きに取り付けられています。

これらのフォトマルは、宇宙から飛来するニュートリノが巨大水槽に入って減速する際に発光する青白い光（チェレンコフ光）を検出します。

チェレンコフ光が非常に微弱であるのと、巨大水槽内で発光する光の空間位置と時系列を把握するために、11,000本の巨大フォトマル（20インチ）を配置してチェレンコフ光の発生をマッピングしています。

8インチのフォトマルを外側に配置しているのは装置のバックグランド光を取り除くためです。

　 　

　

■　フォトダイオード（Photo Diode） 最近脚光を浴びてきている光反応素子として、シリコンフォトダイオードがあります。

これは、いままで述べてきた真空管（Electron Tube）と違い半導体構造であるため、以下の特徴をもっています。

　

	フォトダイオード（参考）。 形状はいろいろなタイプがある。写真は左部の開口部の円形状がフォトダイオード部。右端子がBNCになっていて使いやすい。

1.　小型

2.　堅牢

3.　安価

4.　高電圧電源不要

5.　過大な光に対して強い 　

 

反面、以下の欠点を持っています。 　

 

a.　反応速度が遅い

b.　光増幅率が低い

c.　ノイズが出やすい 　

 

フォトダイオードは、安価で取り扱いが簡単なことから光検出素子としてあらゆる分野で使われだしてきています。

シリコンは、光に対して鋭敏で、光を電子に変換することができます。

シリコンフォトダイオードは半導体ですから、光（時には熱）に反応して起電した電荷があふれると順方向に流れるようになります。

しかし、ダイオード（半導体接合面）のしきい値を越える電荷( = 光)を蓄えない限り何の反応も起こさないので、極めてレスポンス（ = 応答）の悪い素子になってしまいます。

そこでフォトダイオードに順方向とは逆の電圧をかけておくと、ダイオードの電気的しきい値が低くなり、ちょっとした電気変動( = 光変化)でも電流が流れるようになります。

バイアス電圧は5〜30V程度で、シリコンフォトダイオードの種類によって異なります。

点接触タイプのPINフォトダイオードやアバランシェタイプはバイアス電圧を高くセットします。

応答速度は、通常1マイクロ秒程度で、PINフォトタイプでサブマイクロ秒、アバランシェタイプでナノ秒です。

いずれにしても、ダイオードとグランド間に接続された抵抗値により光応答性能と電圧出力が決まり、抵抗が高いものほど出力電圧が高くなる反面、レスポンスが遅くなります。

ダイナミックレンジは、比較的広く 1:10,000 程度あります。

フォトダイオードは当初、カメラの露出を決める露出計や照度計等に用いられてきました。

半導体発光素子（発光ダイオード、LED）の発達と共に、発光ダイオードの光を検出して電気的なスイッチを行うフォトカプラー、フォトアイソレータという電子素子が開発され、電子機器に組み込まれて電気ノイズの遮断に威力を発揮しています。

また、光通信分野においてもレーザ光を受信して電気信号に変換する装置にフォトダイオードが使われています。

フォトダイオードの応用で最も興味深いのが、CCDカメラを代表とする撮像素子です。

CCD撮像素子は、実はフォトダイオードの集合体なのです。画素の中心部はフォトダイオードでできていて、レンズによって集光する光を電気信号に変換する働きを持っています。

 

CCDやCMOSについてはのちほど詳しく述べます。

　

　

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■　光の記録原理 その2 - - - 2次元記録（ビデオ装置）　　（2008.01.02追記）

 

前項で述べたシリコンフォトダイオードをとんぼの複眼のようにカメラ結像面に配置し、カメラレンズによって結像された光学濃淡像をテレビ信号として取り出すものが固体撮像素子CCDカメラです。

テレビ技術は、比較的新しい技術ながら驚異的な速度で技術革新がなされて来ました。

最近のビデオカメラやテレビカメラというと、CCDカメラが代名詞のようになっていますが（2010年以降はCMOS）、CCDカメラができる前までは真空管を使ったカメラが主流でした。

画像を見る受像機も、真空管（ブラウン管、CRT = Cathode Ray Tube）が一般的でした。

フィルム（銀塩画像）による2次元画像については項を改めるとして、電気信号処理による2次元画像は、1875年に端を発し（米国George R. CareyによるTelectroscopeの発明に始まります）、1931年に電子撮像素子（米国Farnsworthによるイメージディセクタ管）が完成し、1941年代に米国でテレビ放送規格（NTSC）が決まって大きな礎ができました。

電子画像は、今となっては主流となっているものの、1830年終わりに発明された銀塩画像に比べてその足取りは遅く、1990年頃まではテレビ放送という形での発展に重点が置かれて写真のように個人が扱うまでには長い道のりがかかりました。

電子画像は、画質が悪いけれど即時性があるため、テレビ放送などの分野に特化していたのです。

電子カメラがフィルムカメラや映画カメラを凌ぐようになったのは2000年を越えてからでした。

1981年に試作品として出品されたソニーのマビカ（Mavica）の品質は、銀塩フィルムに比べてお粗末なものでした（570x490画素、2インチ2HDフロッピーディスクにFM変調アナログ録画、アナログビデオ再生）。

しかし、固体撮像素子の向上と記録媒体（CD、DVD、HDD、メモリスティック）の低価格化、再生装置（パーソナルコンピュータ）の高性能、低価格化によって、今は銀塩フィルムを凌駕するほどにデジタル画像は進歩しました。

電子画像は、電子技術の成熟発展を待たねばならなかったようです。

　

　

　

▲　2000年までの動画映像（Legacy video output）　（2006.11.05）

 

画像はとてもたくさんの情報を持っていて、これを記録したり転送したりするためにはこれらの大量データを高速で処理する機器が必要です。

デジタル処理は、データの細分化とそれにともなう高速処理の戦いでした。

デジタルは、アナログの持つ周波数以上にならないとそれを凌駕できないという宿命を持っています。

動画像は、1955年に出発したテレビの送受信の画質と再生速度（NTSCビデオ規格）が一つの指針となっていました。

デジタル画像は、テレビの画質と速度を凌駕しない限り普及できなかったのです。

静止画像においては、銀塩のフィルム画像が一つの指針でした。

キャビネサイズに引き延ばされたフィルム画像と、インクジェットプリンタでプリントされた写真を見比べて、遜色がなくなった時点でデジタル画像がアナログ画像に勝ったと言えました。

2006年11月時点では、デジタル動画もデジタル静止画もあまねくアナログ画像を凌駕しました。

2000x2000画素の静止画像や、1000x800画素で30コマ／秒の動画像はアナログ画像を凌ぐ画質を持っています。

　 　

 

▲　映像は撮像面で一度にとらえるが、読み出しは1本の信号線から出力する（Serial video Signal）

 

テレビ放送や家庭用のビデオカメラに使われている一般のアナログ映像信号の読み出しは次のようになっています。

つまり、カメラレンズで結像された像は、カメラ内部の読み取り回路によって、左上から右下に順次なぞるような形で映像信号に置き変わります。

従って、映像信号は一本の連綿と続くアナログ信号となります。

実は、この連綿と続く1系統の信号であることが映像を電送する場合のキーポイントであり、放送電波として信号を送ることのできる原点だったのです。

一連の巻き取り糸のような映像電気信号は、映像の記録（VTRの発明）にも便利でした。

映像信号（NTSC規格のビデオ信号）は、0V〜1Vのアナログ信号であり、0V〜0.3Vは同期信号に割り当てられ、0.3V〜1.0Vを映像信号にあてています。

暗い被写体は低い電圧であり、明るい被写体は1Vに近くになります。

（ただし、最近の高画素デジタル素子や高速度撮像素子は1本の読み出し口から読み出すと速度が上がらないために、複数の読み出し口から情報を取り出しているものもあります。）

デジタル信号は、0V〜1.0Vのアナログ映像信号を8ビット濃度（256階調、カラーではRGB各8ビットで24ビット）に割り当てられました。

NTSCビデオ信号については、別の項でも詳しく触れます。 　 　 　 　

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▲　撮像素子 - - -CCD（Charge Coupled Device）素子　（2004.10.24）（2007.12.23追記） 　

 

■　CCDの仲間

 

CCD固体撮像素子は、光学像を電気出力に変換する撮像素子の中で最も一般的なものです。

映像の撮像素子は、CCDだけかと言うとそうでもなく、以下示す固体撮像素子が開発されました。

・　MOS（Metal Oxide Semiconductor）

　　　　-　1966年〜。CCDの対抗馬的存在の固体撮像素子。

　　　　　　消費電力が少ない。

・　BBD（Bucket Brigade Device）

　　　　-　1969年〜。バケツリレー素子。

　　　　　　松下が研究開発。

・　CID（Charge Injection Device）

　　　　-　1970年〜。

　　　　　　電荷注入素子。MOS型とCCD型の折衷素子。

　　　　　　フィリップスが発表。 GE社が開発を継続していた。

・　CPD（Charge Priming Device）

　　　　-　1978年〜。呼び水転送素子。

　　　　　　　　MOS型を基本構造とし、一部をCCD型とした素子。

　　　　　　　　松下、日立が研究していた。

・　CSD（Charge Sweep Device）

　　　　-　1983年〜。電荷掃き寄せ素子。

　　　　　　　三菱電機が研究していた素子。

・　PCD（Plasma Coupled Device）

　　　　-　1972年〜。プラズマ結合素子。

　　　　　　NTTが研究開発をしていたX-Yアドレス方式の素子。

・　SIT（Static Induced Transistor）

　　　　-　1977年〜。静電誘導トランジスタ。

　　　　　　オリンパスが開発。

　　　　　　発想は東北大学西澤潤一教授。高感度。

・　CMD（Charge Modulation Device）

　　　　-　1990年〜。

　　　　　　MOS型素子。オリンパスが開発研究。

・　ISIS（In-situ Storage Image Sensor）

　　　　-　2001年〜。

　　　　　　CCD型素子。素子上にメモリ機能を置き100万コマ／秒の撮影を達成。

　　　　　　近畿大学江藤剛治教授開発。

 

 

こうした固体撮像素子を見ると、いろいろなメーカがお互いの特許をかいくぐりながらいろいろなアイデアを持ち寄って開発したことがうかがい知れます。

そもそもCCDに代表される固体撮像素子は、テレビカメラの世界では新しい撮像素子です。

固体撮像素子が全盛を極める2010年以前までは撮像管（電子管）が使われていました。

撮像管によるテレビカメラはとても高価であり、一般市民が簡単に使えるものではありませんでした。

撮像管は、放送局関係の人達だけが使っていたプロユース品だったのです。

 

■　映像信号の記録とCCDの発展

私の記憶では、テレビカメラは1940年代に発明されて1950年代の放送局の設立と無線放送の発展の中で放送局専用として使われたものであり、一般家庭で使われる代物ではなかったはずです。

一般家庭では、テレビカメラをたとえ持ったとしてもこれを記録する録画機（ビデオレコーダ）がなかったのです。

録画装置がない限りテレビカメラがあっても何の役にも立ちません。

当時、アマチュアで動画の記録保存を行うには、機械が好きでお金に融通の聞く人たちが8ミリ映画フィルムを使った8ミリカメラを使っていました。

1970年代後半から発売された1/2インチビデオテープによるビデオテープレコーダによって、家庭にビデオカメラが浸透し始め、1980年代後半に発売された一体型ビデオカメラの登場によってホームビデオが市民権を得るようになりました。

ビデオカムコーダ普及にあたって、CCD固体撮像素子の果たした役割は大変重要なものでした。

CCD固体撮像素子は、真空管撮像素子に較べて小型、堅牢、メンテナンスフリーで、何よりも安価でした。

このカメラが出る前の1970年代は、放送局に加えて産業用用途にそして学術研究用にITV（Industrial TV）という分野が発展し、CCTV（Closed Circuit TV）の分野も立ち上がって、テレビ業界の大きな発展を見ます。

撮像管を使ったテレビカメラはその中で使われていたに過ぎませんでした。

家庭まで浸透するには値段が足かせとなっていました。

 

■　CCD以前の撮像素子

こうしたテレビの世界で使われていたカメラの撮像管として、目的に応じてさまざまなタイプのものが開発されました。

これらは、赤色領域の感度確保、高画質、高感度化が主な開発目的でした。

 

・　イメージディセクタ（Image Dissector）　-　1931年、Farnsworthにより開発。

・　イメージオルシコン（Image Orthicon）　-　1946年、米国RCA社が開発。

・　ビジコン（Vidicon）　-　1950年。撮像管の代表的なもの。

・　プランビコン（Plumbicon）　-　1963年。オランダ フィリップスが開発。残像が少ない。

・　サチコン（Saticon）　-　1974年。NHKと日立が開発。

・　カルニコン（Chalnicon）　-　1972年。東芝が開発。

・　ハーピコン（Harpicon）　-　1985年。NHKと日立が開発。超高感度。

 

 

撮像管については別の項で詳しく触れています。 これら撮像素子の中で、固体撮像素子であるCCDだけが何故広くゆきわたり、撮像素子の代名詞になったのでしょう。

その理由は、CCD撮像素子が一にも二にも大衆マーケットである一体型8mmカムコーダを中心としたビデオカメラにあまねく採用されて、そこそこの画質と使い勝手の良さが認められ、大量供給による低価格化によって市場を席巻していったためです。

■　CCDの発展 CCD

カメラは、米国ベル電話機研が開発し、日本のSonyが1970年代後半に市販化しました。

ビデオカメラの眼として市販化するそもそもの発端は、日本の航空会社（ANA = 全日空）の要求からと言われています。

堅牢な固体撮像素子カメラを航空旅客機に搭載し、離着陸時の機外の様子を客室へモニタする乗客サービスをしたい、という航空会社の要求をソニーが受け入れ開発に本腰を入れて市販化されたということです。

当時は、画素数も少なくて画質が悪かったため、放送業界はもとより一般産業分野（当時、これを放送テレビと区別して ITV = Industrial Television と呼んでいました）でも受け入れ難かったのですが、振動、耐久性を重視する航空機搭載の強い要求が CCD 固体撮像素子を育て上げたと言えます。

いずれにせよ取り扱いが簡単なことや、過度の光が入射しても素子を傷めないことから、開発当時は、放送局業界より一般産業界で着実に顧客をつかみ、感度、解像度、価格などを向上させていきました。

そして現在では、放送局用カメラはもとより、ハイビジョンカメラや計測用カメラにあまねく利用されるようになりました。

CCDの成功は、以下の技術革新によったと言えましょう。

 

・　取扱が簡単　-　低電圧で駆動、焼き付きなし（強い光が入射しても損傷しない）、振動や環境に強い。

・　高画素化　-　NTSC規格の解像力を凌ぐ高解像力。

・　電子シャッタ内蔵　-　電子的に光量を制御可能。及び計測用として利用。

・　高感度化（マイクロレンズ）　-　照明装置を用いずに撮影可能。

・　モジュールによる素子のパッケージ販売　-　CCDファミリーの増加。 　

 

 

■　CCDのライバル

同時代、日立からもC-MOSタイプの撮像素子が開発され市販化されました。

しかし、1980年代はCCD陣営に追いついて拮抗するまでには至らず、1990年に入って製造中止を余儀なくされました。

しかし、その4、5年の後にMOS型撮像素子の低消費電力の利点が見直され、デジタルカメラや携帯電話の需要を見込んで1997年、東芝によってさらに進化させたMOS型撮像素子が開発されました。

現在では米国をはじめ、再び大きな市場に発展する勢いを示しています。

皮肉なことに、MOSタイプのカメラが再び脚光を浴びたのは、米国航空宇宙局（NASA）の宇宙開発での要求、すなわち、低消費電力でコンパクト、そして取り回しの良い小型撮像素子開発要求があったことです。

CCDはMOSに較べて桁が変わるくらいに多くの電力を消費しました。

熱が対流によって逃げない宇宙空間では熱発生が致命的な問題となるのです。

（詳細は、CMOSカメラの項目を参照下さい）。

この要求が実を結んで、CMOS撮像素子が2000年代の主役に再度躍り出てくるというのも面白い巡り合わせです。

　 　

 

【CCD撮像素子の歴史】

CCD素子は、1970年に米国ATTベル研究所で、W.S.ボイル（Willard Boyle、1924.1〜）とG.E.スミス（George E. Smith：1930.5〜）によって発明されました。

両氏は、CCD開発の功績で2009年ノーベル物理学賞を受賞しました。

ボイル氏85才、スミス氏79才でした。

彼らは、1970年に『The Bell System Technical Journal』という機関誌にCCDの基本原理と8ビットのシフトレジスタの発表をしました。

論文名は、「Charge Coupled Semiconductor Device」でした。

当時、彼らはCCD素子をメモリの一環として開発したのであって、カメラの目として開発したわけではありませんでした。

CCDという名前は、電荷をパルスによって送る方式（Charged Couple）に由来しています。これは、1980年代、CCDカメラと熾烈な競争を展開したMOS素子の開発動機とは好対照です。

 

MOS固体撮像素子の開発は、1963年、HoneywellのS.R.モリソン（Morrison）による「Photosensitive Junction Device」というフォトスキャナの発表に端を発します。

CCDよりも7年も前のことです。

これが1967年に、Westinghouseのアンダース、Fairchildのヴェクラー（Gene Weckler）、RCAのワイマー（Paul K. Weimer：1914 〜2005.01）などによってMOS型素子として発表されます。

MOSは、フローティング状態のpn接合部に光の量に応じて蓄えられた電荷がスイッチング素子で吐き出されるという原理です。

MOS素子の構造は、CCD方式に比べるとシンプルで作りやすい反面、各セルに蓄えられた電荷を取り出すのにトランジスタのスイッチングを使って取り出すため、スイッチングノイズが多く、これが画像に悪影響を与えて（S/N比があまり良くなく）CCD転送方式に比べて大きなハンディキャップを背負っていました。

しかしCCDに比べてシンプルで高速サンプリングが可能だったので、1990年代の高速度カメラにはMOS素子を使ったものが多く市販化されました。

（Kodak EM1012、Kodak HS4540、フォトロンFastcam Ultima、ナックHSV-1000。）

 

両者の固体撮像素子の熾烈な競争の中、1990年代はCCDに軍配があがりました。

 

CCD固体撮像素子（画像としての素子開発）は、1971年、ベル研究所のM.F.トムセット（M. F. Tompsett）によるフレーム・トランスファー方式のエリアセンサーの構想発表からスタートします。

1972年にはベトラムが98画素、1973年にはシーガンが106 x128 = 13,568画素のCCD試作に成功します。

1974年には、RCAのR.L.ロジャースが、NTSCテレビ標準方式にのっとった320 x 512 = 16万画素以上のCCDを発表して画素を向上させていきました。

日本では、1972年に研究室レベルでソニーが8画素のCCDを作り電荷の転送を実証し、これをさらに8x8画素の64画素として「S」の字を撮像させたと言います。

ソニーは、当時まだまだ問題の多かった固体撮像素子の画質を見る見る向上させ、1990年にはプロユースの撮像管を使った放送用テレビカメラを彼らが開発したCCDカメラで置き換えてしまいました。

当時ソニーは、トランジスタで世界を唸らせる製品（小型トランジスタラジオ、小型テレビ受像機、テープレコーダ）を世に送り出していましたが、コンピュータメモリや集積回路では目立った実績を上げていませんでした。

CCDは、半導体製造技術でも特に高度な技術を要する素子です。

こうした難しい製品の開発を成功させ、2000年にあってはカメラの目と言えばCCDと言われるくらいにカメラの代名詞となりました。

現在は、ビデオカメラは言うに及ばず、デジタルカメラや放送局用のテレビカメラやハイビジョン用のカメラでさえCCDカメラに置き換わるようになりました。

（2010年以降はCMOS素子が主流となります。（2019.05.01記））

 

■　CCDの基本原理　-　シフトレジスタ

CCDという名前は、今でこそ一般名詞（カメラの代名詞）として一般の人にも認知されるようになりましたが、名前の由来がどのようにしてできたのかよくわからない不思議な名前です。

「CCD」のそもそもの原理や構造を説明できる人は多くはないと思います。

最初に発表されたCCDの構造と原理をわかりやすく説明すると以下のような概念になります。

CCDは、基本的に電荷を蓄えるための複数のセルを持っていて、電子回路によるシフト機構によって（電圧をタイミング良く上げ下げして、電荷を右方向に転送する仕組みによって）、順序よく電荷を次のセルに受け渡します。

この方式がCCDの基本概念です。

この方式によって蓄えられた電荷を時系列の時間情報として取り出すことができます。

 

【コンピュータメモリ - CCD】

CCDが発想された1970年当時は、トランジスタとIC技術の進展でコンピュータ技術が発展している時代だったので、それに伴う周辺機器の開発（特にメモリ開発）が活発に行われていました。

CCDは、コンピュータメモリの一環として開発されました。

CCD開発には、磁気バブルメモリ（magnetic bubble memory）に代わるメモリ装置という伏線がありました。

磁気バブルは、1960年代にベル電話機研究所（Andrew Bobeck、1926.10.01〜）が開発した記憶装置で、1980年代までのコンピュータの大切なメモリ装置でした。

磁気バブルメモリは、CCD開発に多大な影響を与えます。

つまり、CCDは磁気バブルメモリの欠点を補うべく開発されたのです。

しかし、この両者は、1980年初頭に開発された小型HDD（磁気ディスク）の成功によりコンピュータメモリの世界から姿を消すことになりました。

1980年当時の磁気バブルメモリは、情報を読み出すのに1/1000秒のアクセス時間がかかり、保存する容量も1Mビットを作るのがやっとでした。

磁気バブルメモリは、1Mビット（125kバイト）のデータを読み出すのに、8ビットパラレルで2分もかかるのです。

1980年に登場した小型HDD（IBMが開発したST-506）は、5Mバイトの容量を持ち、250kバイト/秒でデータを転送できました。

これは、磁気バブルメモリの40倍の容量と250倍のスピードを持っていたことになります。

磁気バブルメモリは、当時、富士通が熱心であり、彼らのパソコンFM-7、FM-8に記録装置として内蔵されていたそうです。

CCDは、先に開発された磁気バブルメモリの性能を遙かに凌いでいましたが、どんどん進化していく小型HDDの性能を追い越すことができませんでした。

当時の技術では、100万セル（1Mビット）のCCD素子を作るのが精いっぱいで、HDDには太刀打ちできなかったのです。

コンピュータのメモリとしての命が絶たれた磁気バブルメモリとCCDでしたが、CCDは光信号を蓄積転送できるという特徴が活かされ、「カメラの眼」として新たな分野で発展成長を見ることになりました。 　 　 　 　

 

ソニー（SONY）のCCD開発話

　　　-　NHK『プロジェクトX』 2004.09.14放送より、一部、別文献を参考

　　　　　　　　　　 　　　　　　　（2004.09.19記）（2009.01.03追記）（2020.02.11追記）

大企業のプロジェクトと言うのは恵まれた環境の中で育てられて完成するものだと、私自身は思っていました。

日本のCCDカメラの開発もベル電話機研究所の発明を睨んで会社を上げての取り組みだと考えていたのです。

しかし、NHKのテレビ番組『プロジェクトX』（2000年3月〜2005年12月）を見て、CCDカメラ開発の発端は閑職とも言えるべき立場にいた若いエンジニア（越智成之氏、東京工業大学電気工学卒、1962年入社）が、会社の意向とは関係なく自発的に海外の文献を漁って、片手間に（しかし当人にとっては真剣に）手作りしたことに始まったことを知りました。

彼は中国生まれで、少年時代手作りの真空管ラジオに熱中し、アンテナも自作して電波の弱い放送を感度良く受信していたそうです。

根っからの電気少年でした。

 

希望に胸ふくらませて入社されたソニーでしたが、配属先はスピーカーの性能を検査する部署だったそうで、毎日オシロスコープとにらめっこして波形データを記録する日々だったそうです。

期待した仕事とは全く違った部署の配属となり、ジリジリとした焦りにも似た日々が続いた、と、越智氏は番組で述懐されていました。

1962年に入社されて、ベル電話機研究所の文献が出される1970年までの8年間、ある意味の下積みをされていたのでしょうか。

彼は、1961年に横浜保土ヶ谷区に建設された「ソニー研究所（現ソニー中央研究所）」に在籍されていたことは確かなようです。

とすると、研究所の中でもあまりパッとしない研究職に就かれていたことになります。

 

越智氏は、外国の文献を読んでCCDの事を知り、興味を覚えて独学でCCDの研究に取りかかります。1970年12月のことでした。

当時、越智氏は同じ固体撮像素子であるMOS型素子も研究していたそうです。

越智氏は、最初、CCDを遅延メモリの一環として研究を始めましたが（CCDの発明そのものが半導体メモリとしての使い方を考えていた）、撮像素子として使えそうだという着眼をしました。

ここが非凡な所です。

彼の研究は、自分で始めた事なのでもちろん社内のバックアップも何もありません。

その手作り製品は、8x8画素の64画素を持った撮像素子で、越智氏はこの撮像素子で『S』の字を撮影し（SONYの「S」なのでしょうか）、ノイズだらけながら文字を浮かび上がらせました。

入社11年目（1972年、ベル電話機研の研究者が論文を発表した2年後）のことでした。

この手作り製品を、研究所にやってきた岩間和夫副社長（1919.02 - 1982.08。当時、岩間氏は中央研究所の所長を兼任、1976年より1982年まで社長）が目にして、越智氏の人となりをすぐさま見抜いて大抜擢しました。

5ヶ月後の1973年11月には、研究員やプロセスのすべてを各工場から中央研究所に結集させて大きなプロジェクトとして発足させました。

 

当時（昭和48年、1973年）のソニーの会社事情と言えば、シャープが開発した4ビットマイコン内蔵の電子計算機の爆発的な売れ行きのあおりを受けて、6年前の1967年（昭和41年）に開発され主力製品となっていた電気計算機「ソバックス = SOBAX = Solid State Abacus、電子ソロバン」の売れ行きがぱったり止んでしまった時期でした。

創業以来の危機に直面した時期だったそうです。

岩間副社長は、そんな時期にソニーアメリカから呼び戻され再建を託されます。

彼は、伝説的なトランジスタ技術者として社内外に知れ渡った有名な人だったそうです。

トランジスタが発明された当時、増幅素子としてラジオに使うにはノイズが多く、補聴器以外に使い道のない電子素子、という定説を覆し、トランジスタの性能を向上させ、超小型のトランジスタラジオ開発の成功に導いたのが若き電気エンジニアの岩間氏だったのです。

彼が副社長として日本に戻った当時、ソニーは経営のどん底にあり、新しい核となる商品が咽から手が出るほど待ち望まれていた時期でした。

岩間副社長（ソニー中央研究所所長）は、核となる商品の一つとして越智氏が自発的に進めたCCDの開発を一大プロジェクトとして指定したのです。

 

彼らのプロジェクト目標は、8ミクロンの窓を持った20万画素（525画素x381画素）の撮像素子の開発でした。

この最終製品の前段階として、昭和51年（1976年）に7万画素素子を開発し、引き続き12万画素の開発を続けていきます。

製品開発は、歩留まりの向上、ゴミとの戦いだったと言います。

当時の素子の歩留まりは1/3,000以下だったそうです。

12インチのウェハーから8.8mm x 6.6mmの素子がおよそ1,000個程度できます。

歩留まりが1/3,000ということは、3枚のウェハーからたった1個のCCD素子しか作れないことになります。

彼らが手がけるCCD開発のプロジェクトは、彼ら自身にCCDの製造技術がなかったために一から出発をせざるをえず、完成させるまでに200億円の投資を行ったそうです。

5年の実用計画に対して6年3ヶ月を要し、最初の顧客である全日空に初号機を納めます。

 

社長の岩間氏は、製品も完成していない時に全日空に開発途上のCCDカメラを売り込み、注文を取ってしまいました。

目標があった方が拍車に開発がかかるだろうという社長の思惑があったそうです。

この件は、別の文献では全日空側が商品に対してすごい乗り気で、ソニーを説き伏せたような紹介がありましたが、テレビ番組ではソニー側から強力なお願いをしたように紹介されていました。

いずれにせよ、全日空も空の路線拡大に競争会社と激しいしのぎを削っていたので、目新しいサービス商品が欲しかったのだと思います。

そのCCDカメラが、1年の納期を経て1980年（昭和55年）6月1日に全日空のジャンボジェット機に搭載されました。

納品したカメラは、12万画素で、価格は1台30万円。

13機のジャンボ機にコックピットと前後輪脚にそれぞれ1台ずつ取り付けられました。

合計52台の納品だったことになります。

 

岩間社長は、その3年後の1982年、ガンのため63才の生涯を閉じます。

全日空のジャンボ機に搭載され、初めて固体撮像素子が世に出てこれからという矢先でした。

ソニーは、この成功の後、2kgの重量を切るレコーダ一体型カメラ（カムコーダ）の開発に乗り出します。

1985年1月には、最初の8ミリビデオカメラCCD-V8を発表しました。

画素は25万画素でした。これでソニーは市場を独占することになります。

1987年にはカメラの画素を38万画素に上げました。

 

1989年に発売した「パスポートサイズ」のHandycam TR-55は、2/3インチ25万画素のCCDで、これにはオンチップ・マイクロレンズが取り付けられていました。

これは直径7umの世界最小のレンズで、このレンズをつけたカメラは70年代半ばの試作機から比べ20,000倍の感度向上を達成しました。

岩間社長はその成功を見ることなく他界されました。

　

 

【越智成之氏の書籍　-　「イメージセンサのすべて」（工業調査会、2008年10月15日初版）】　（2009.01.03） 越智氏自ら書かれた「イメージセンサのすべて」に、CCD開発当時の様子が詳しく書かれてあります。

これを読むと、上記の記述とはいささか異なっている箇所が見受けられます。

その違っている部分を少しだけ紹介します。

 

入社当時の越智氏の仕事　-　越智氏は、トランジスタの研究を行いたくて、当時、トランジスタ（バイポーラ）で世界的に技術力の高かったソニーに入社されました。

そこで、エサキダイオードに代表されるようなトランジスタの研究をするつもりだったそうですが、企業では、基礎研究よりも製品に結びつく研究が優先されるため、そうした研究につくことはできず、MOSの研究部門に配属されました。

MOSは、米国RCAが開発した集積トランジスタの一種類で、ソニーが開発していた電子計算機（SOBAX）の回路に使われていたものの、ソニー内部ではMOSを主力に育てる機運がなかったそうです。SOBAXも、1973年に市場から撤退します。

MOSの研究をしていた越智氏は、その応用が利くCCDの開発に目を留めました。

 

闇研　-　CCDの基礎研究は、当初、会社のお墨付きをもらえない自分勝手な研究（いわゆる闇研）と一般的にとらえられていますが、実は会社からの認可をもらって、研究室長や研究所所長には定期的な報告をされていたそうです。

ただし、研究費はつかなかったそうです。

当時のソニー中央研究所は、研究者の自由な研究活動の裁量が認められ、若々しく闊達な雰囲気があったのは事実のようです。　

 

死の谷の10年　-　CCDの開発は、製品化にこぎ着けるまでに、大変な努力があったそうです。

新しい技術の発想があって（CCDの開発）、これを実用レベルに達するまでの製品化には、発想の10倍から100倍の技術が必要とされ、10年間も地下に潜って黙々と問題点を潰していく作業が繰り返されるとありました。

CCDの製品化が思うように行かない途上で、日立や日本電気との共同開発の話もあったそうです。

そこまで行き詰まりながら、会社をあげての一大プロジェクトに指定され、CCDの製品化が進められた、とその本で紹介されていました。

　

　 　 　

 

【CCD素子のキーワード】　（2007.04.09）

 

CCDの性能を理解するには以下のキーワードが不可欠です。　

下の図が固体撮像素子の模式図です。固体撮像素子は、精度の良いシリコン平面板に微細加工を施してシリコンのホトダイオードを作りあげ、一つ一つ埋め込んであります。

このホトダイオード1つを1画素（または1ピクセル）と言っています。

 

▲　画素（pixel）： 画像を構成する単位です。

デジタル画像は、すべて画素（がそ、ピクセル、pixel）のモザイクによって構成されています。

画素が多いほどきめ細かい画像が得られます。

もちろん、画素の内容（白黒なら濃度 = 8ビット、12ビット、16ビット、カラーなら色情報）が多ければより一層きめ細かい画像が得られます。

従来は、640画素ｘ480画素あれば十分な画像と言われましたが、最近では1000x1000画素を越える画像が一般的になっています。

 

▲　画素サイズ（pixel size）： 1画素の大きさです。

1画素の大きさにはこれと言った規格がなく、メーカがまちまちに規定している感じを受けます。たとえば、あるCCDでは12x12umであったり、9.4umx9.4umであったり7umx7umであったりという具合です。

画素サイズが小さい場合の利点は、顕微鏡などの撮影の場合、高額な顕微鏡をあつらえて拡大撮影したときに、CCDの画素サイズが小さいとキメの細かい画像を得ることができます。

また画素サイズが小さいと、限られた寸法の撮像素子面上にたくさんの画素を入れ込むことができたり、同じ画素数であるならば小さい撮像素子にすることができます。

これは製造メーカにとって、製造上（歩留まりの観点から）有利です。

画素サイズが大きいメリットは、受光部が大きいので感度が良くなることです。

高速度カメラや高感度カメラには画素サイズが大きいものが使われ、16umx16um、25umx25um、40umx40umのものが作られています。

なお、画素サイズは正方形のものが計測用では一般的ですが、放送用には縦長の画素サイズが使われています。

こうしたカメラを計測用に使う場合には注意が必要です。

（その長方形画素のテレビ放送用撮像素子もデジタル放送と共に正方形になっています。（2019.05.01記））

 

▲　イメージサイズ（image size）：

1画素のサイズ（Ph、Pv）が決まって画素数（Mh、Mv）がわかっているとその掛け合わせでイメージサイズ（Ih、Iv）がわかります。

 

Ii = Pi x Mi　　・・・（Rec -2）

　　i = h、v （横方向、縦方向）

 

イメージサイズは、その大きさを表す場合、一般的に1インチ型、2/3インチ型、1/2インチ型、1/3インチ型という言い方で呼び、この呼称でだいたいの大きさがわかるようになっています。

この呼び方は対角線の長さではなく、電子管時代の呼び径を踏襲した言い表し方です。

大きいイメージサイズの撮像素子を使うメリットは、画素サイズを大きくすることができるためたくさんの電荷を蓄えることができ、相対的に感度の高い素子とすることができます。

また、カメラレンズも作りやすく性能の良い通常のレンズが流用できます。

イメージサイズが小さい素子のメリットはコンパクトなカメラができる可能性があることと、製造上、同じ大きさのウェハーからたくさんの撮像素子が出来上がるのでコストが下がり安価になることです。

私のように映像を計測手段とした仕事に従事していますと、固体撮像素子はできるだけ大きいものがうれしく感じます。

撮像素子が1インチ程度のものですとニコンFマウントのニッコールレンズが使用でき、広い範囲を撮影する際にも焦点距離の短いレンズを用意しなくてすみ、また画素も大きいため感度の高い素子となります。

レンズメーカも小型撮像素子用のレンズを作るのは難しいと言っています。

例えば1/3インチサイズ（4.89mm x 3.66mm）のCCDでは、768（H）x 494（V）画素のものが出回っていますが、この素子の1画素当たりのサイズは6.37um相当となります。

この値はすごい意味をもっています。

結論から言いますと、小さくて高解像力撮像素子を満足するレンズ製作は理論的に極めて困難です。

その理由は英国の物理学者レーリー（Reyleigh）が導き出したレーリーの回折限界で説明されるように、光の特性上結像面に光がうまく結ばずに光が回り込んでボケがでてしまうというものです。

レーリーの導き出したボケ量（許容錯乱円）dは、以下の近似式で表されます。

　

d = 2 x λ x F 　　・・・（Rec -3） 　　　d：許容錯乱円 　　　λ：波長

　　　F：レンズ絞り

この式によりますと、λ = 550nm、F = 5.6でd = 6.16umとなり、レンズをF5.6以上に絞り込むとレンズの解像性能が撮像素子のサイズ‹に負けてしまいます。

従って、今後はむやみに細かな画素を持った小さな撮像素子は出てこないように思われます。

ICの製造技術は驚くほど進歩して小さな画素の製造など簡単に行えるようになりました。

しかし、レンズが悲鳴を上げています。

撮像素子のイメージサイズが大事な理由の一つがこのレンズとの相性なのです。

 - - - 上記の私の考察もむなしく、昨今のスマートフォンの撮像素子は1画素0.8 uｍのものが発売されました（【スマートフォン カメラレンズの怪】）。（2020.02.11追記）

 

▲　受光サイズ：

実際に光を受けるフォトダイオードの大きさです。

1画素サイズそのままの大きさが受光部になるものは、フルフレームトランスファ型CCDだけで、他の多くのCCDは転送回路などが配置されるため受光サイズは小さくなります。

 

▲　開口率（fill factor）：

1画素面は全てを受光部としているわけではなく画素の中のある部分をホトダイオード部としているため撮像素子に入射する光をすべてホトダイオードで受けられるわけではありません。

この受光部面積と、素子面積の比を開口率（Fill Factor）と呼んでいます。

CCD撮像素子は、数種類のタイプのものがありますが、その中の最もよく使われているインターラインライントランスファ型CCD（電子シャッタ内蔵のCCD）では、同一平面内に受光した電荷を電気信号として取り出すための転送部を配置しなければならないために、開口率が小さくなります。

フレームトランスファー型CCDは電荷の転送を画素を使って転送するために、つまり素子上に電荷を転送する専用の道がないために開口率を100%にすることができます。

解像力を述べるとき、画素数よりもこの開口率が大きく影響を及ぼすことがあります。

 

▲　受光電荷容量（dwell capacitor）：

1画素に光を蓄えることができる能力を受光容量とか受光電荷と呼んでいます。

当然、画素サイズが大きいものや開口率が大きいものほど受光電荷量が大きくなります。

この受光容量に関してはCCDカメラ素子は色々なタイプのものが出回っていてそれぞれに特徴があって簡単に言い表せないのですが、フレームトランスファタイプのCCDカメラで電子冷却を備えている素子ほど受光容量は多く、インターライントランスファ型のように受光面積が小さいものほど受光容量は小さい傾向にあります。

この受光容量の度合いは画像の濃度情報に影響を与えます。

受光容量の大きいものは16ビット（65,500階調）のものがあり通常は8ビット（256階調）です。シリコンによるフォトトランジスタは、基板の熱によって電荷をランダムに発生してこれがノイズとなります。

光によって蓄えられた電荷と熱電子によって運び込まれるノイズによって信号と雑音信号の比（S/N比）が決まりますが画質の良いCCDはこのS/N比がよくノイズに影響されないキチンとした信号成分を取り出すことができます。

撮像素子のノイズは熱電子の他に、アンプ雑音（受光部で検出した光電荷を増幅するときに生じる初段トランジスタ発生ノイズ）、リセット雑音（読み出しのリセットをする際に発生する雑音）、光ショットノイズ（入力光そのもののノイズ）などがあります。

物理学用で使われるフレームトランスファ型のCCDは16ビットのものがあり、高速度カメラ用には8ビットのものが一般的です。

 

▲　量子効率（Quantum Efficiency、QE）：

1つの光子（hν）で1エレクトロンの電子が発生することを量子効率100%と言います。

計測用CCDなどで、光子エネルギーが論議される分野では、重要な性能要素です。

詳細は、■QE（Quantum Efficiency、量子効率）を参照を参照してください。 　 　

　

【CCD撮像素子の種類】

CCD型固体撮像素子は、いろいろな進化、発展を遂げてきました。 受光方式、転送方式の違いによって以下の5種類のものがあります。

　

1.　インターライントランスファー型（IT-CCD）　　-　　現在、一般的なもの

2.　フレームインターライントランスファー型（FIT-CCD）　-　放送局用として使われているもの

3.　フルフレームトランスファー型（蓄積部なし）（FF-CCD）　-　CCDの初期のもの

4.　フレームトランスファー型（蓄積部あり）（FT-CCD）　-　フレームトランスファ型の改良版

5.　全画素読み出し（プログレッシブスキャン）型　-　インターライントランスファの改良型（インターレースを行わないもの）

　　　（ただし、これは1.のIT-CCDのジャンルに組み入れられている）

　

　

8mmビデオカメラやビデオカメラでは、ビデオ信号に変換しやすい1.のインターライントランスファー型CCD（IT-CCD）が使われ、放送局用のビデオカメラには2.のフレームインターライン型CCD（FIT-CCD）が使われています。

400万画素などのデジタルカメラや計測用の高解像力カメラには3.のフレームトランスファ型CCDカメラ（FF-CCD）が使われます。

最近は、プログレッシブスキャン型CCDカメラ（Progressive Scan、全画素読み出し方式CCDカメラ）が開発されて、放送規格にとらわれないデジタルカメラやハイビジョンカメラに多用されるようになりました。

上図にCCD素子の概念図を示します。

　 CCD撮像素子の特徴は、何れのタイプも受光した電荷を一つ一つバケツリレーのように転送していく方式です。　 　 　

 

■　フルフレームトランスファー型CCD

3.に示したフルフレームトランスファー型CCD素子は、上の図を見てもおわかりのように構造が比較的シンプルであり受光部も大きく取れ、撮像素子面に占める受光部（開口率）が大きいのが特徴です。

開口率が大きいというのは、被写体の空間情報に連続性が得られ、被写体情報に欠落がない画像が得られます。

受光部が大きいのは、光をたくさん受けますので感度が良くなります。

また構造がシンプルなのでたくさんの受光部を作ることが可能で、1024x1024画素とか、2048x2048画素、4096x4096画素のCCDが開発されています。

計測用のCCDカメラにはできるだけ開口部が大きく、明るく、S/Nが良く、高解像力で、ダイナミックレンジが大きいカメラが求められますので、このタイプのものが使われます。

天体観測用のCCDカメラもこのタイプのCCDカメラが多いようです。

 

フレームトランスファ型CCDは、CCDの中では最もシンプルな構造で製造も簡単ですが、インターライン型のように受光した電荷を転送する転送部を別に設けていず、受光部がそのまま転送部の役割も果たすので、受光された電荷は垂直の画素（受光部）を跨ぎ（またぎ）ながら転送されていきます。

このときにカメラレンズを通して光が入り続けると転送中に電荷が増え、結果的に像が縦方向に流れたようになります（スミア現象）。

従って、フレームトランスファ方式では受光が終わったら撮像面をメカニカルシャッターのようなもので遮光し転送を行うか、蓄積時間時にストロボのような短時間発光をする照明を用いてシャッタリングをする必要があります。

 

以下に、わかりやすいフレームトランスファ型CCDの受光・転送メカニズムを説明します。

　 　

 

■　フレームトランスファ型CCDの受光・転送メカニズム説明　（2007.03.28）（2007.09.01追記）

　

上図に、フレームトランスファ型CCD撮像素子の受光メカニズムを概念図として示します。 光を雨粒と見立てました。

光を電荷に変えて転送するメカニズムをバケツリレーに見立てました。

FT（フレームトランスファ）は、CCDの最初のタイプです。

構造がシンプルなので、CCDの仕組みを理解するには一番良いタイプだと思います。

現在のCCD素子はこのタイプのものとは違いますが、基本的な考え方は同じです。

また、実際のCCDは、上の模式図とは違って、レンズで受光し光電変換した電荷を転送する方式となります。

ですが、ここでは便宜的にメカニカルな機構に置き換えて説明します。

 

【模擬図の説明】

CCDは、光の雨を受けるバケツ（画素）がたくさん配列されたものと見なすことができます。

バケツが512x512個並んで雨を受けていることを想像すれば良いでしょう。

バケツが大きければたくさんの量を溜めることができます。

また、長い時間をかけてバケツをかざしていれば、相当な量を蓄えることができます。

長い時間をかけてバケツをかざすことは、カメラの露出時間を長く取ることを意味します。

 

【受光 - 光の雨】

バケツが光の雨を受けているときは、バケツをリレーする機構部は停止しています。

ずっと光の雨を受け続けています。

光の雨を受けるバケツには実は少々問題があって、長い時間受けているとバケツで受けた光の雨が漏れ出たり、回りのバケツやリレー機構部から水が漏れ入ってきます。

漏れる度合いは、バケツ（CCD）の大きさや性質によって違いますが、通常ですと1秒程度で現れます。

これはCCD用語（トランジスタなどの固体素子）では熱ノイズと呼んでいるもので、本来の受光による光量電荷ではなく、画像に悪影響を与えます。

光の雨が非常に微弱ですと揺らぎとよばれる特殊な光の性質によりショットノイズというものも現れます。

これはフォトンを扱う領域で現れます。

光の雨による電荷（signal）と漏れ入る電荷（noise）の量は、計測カメラなどでは公表されていることが多く、S/Nという言い方で示されいます。

S/Nが40dBですと、ノイズが信号に対して1/100であることを示しています。

60dB程度の性能があれば1/1000（1:1000）であるので、とても優秀なバケツ及び送り機構であると言えるでしょう。

また、別の計測カメラではこの不純成分をダークカレントノイズ（暗電流ノイズ、dark current noise ）という言い方で表し、2e-/pixel/sというような表記がなされます。

これは、1ピクセル、1秒当たり2エレクトロンノイズが入ることを示しています。

10秒露光すると20エレクトロンの電荷が貯まることになります。

 

【バケツの種類】

さて、バケツですが、バケツには光の雨を受けるものと、光の雨は受けずにバケツリレーを担って受光した光の雨を受けてそれを運ぶものの二つがあります。

前者は画素と呼ばれているものであり、後者は水平転送部と呼ばれるものです。

転送部は垂直転送部と水平転送部の二つがあり、整然とバケツリレーを行います。

垂直転送部は、初期の頃のものは受光バケツが行っていました。

受光と転送の二つの機能を受け持ちます。

これが今回説明してるものです。

水平転送部は、右の図では左端の少し大きめに描かれたもので上に蓋が乗っているものです。

この模擬図では、垂直転送をメインに描き表しているので、水平転送のセル（バケツ）は一つしか描かれていません。

しかし、実際のところ水平転送部はこの図から見て奥行き方向に水平方向分の画素列数だけ転送用のバケツがあります。

 

【フレームトランスファ】

受光が終わると、CCDは画像を転送するプロセスに移ります。

この時、多くのフレームトランスファ型CCDでは撮像素子の前をメカニカルシャッタで遮光します。

なぜなら、フレームトランスファでは光の雨を受けたバケツそのものを使ってバケツリレーを行うので、雨よけをしないと、バケツリレーをしている間にも雨が入ってきてうまくないからです。

 

【水平転送の仕組み】

まず、最初に水平転送部（左図の一番上の図、左端）のバケツが下がります。 光の雨を受けたバケツからのリレーを行いやすくするためです。

水平転送部のバケツが下がったら蛇口機構部（遮断板）が下がってバケツの底に設けられている排出孔から光の雨に相当する電荷が開け渡されます。

 

【バケツの昇降】

バケツが上がったり下がったりする仕組みが実は、フレームトランスファの真骨頂です。

これは、実際のCCDでは、電位を上げたり下げたりしてこの機能と同じことをしています。

パナマ運河の水門を開け閉めして水位を上げたり下げたりして船を運航させるのを想像すれば良いかと思います。

CCDの原語であるCharge Coupled Device のCharge Coupled というのが、実はこの電圧の上げ下げによる光量電荷の転送を意味しています。

 

【転送の仕組み】

水平転送部に電荷を開け渡した1番目（左端の水平転送部のセルから数えて右方向1番目）のバケツが空になると、バケツは下がります。

1番目のバケツが下がるのを見計らって、2番目のバケツの蛇口機構部（遮光板）が下がり、電荷が1番目のバケツに移ります。

2番目の電荷が移し終わると、以下同様に、次のバケツの電荷を受け取って、順繰りに電荷を若い番号のバケツに移し替えて行きます。

垂直画素のバケツの電荷がすべて1画素分若いバケツに移し替えられると、1番目のバケツは水平転送部に明け渡すタイミングを見計らいます。

と言いますのは、水平転送部は垂直転送部から下りてきた1水平画素分の電荷を休みなく出力段に送り続けていてとても忙しいからです。

例えば、512画素（水平）ｘ512（垂直）のCCDがあったとすると、右に示した垂直転送部は512列水平に並ぶことになり、それぞれの1番目の画素が512個同時に水平転送部に移ります。

水平転送部では、512回バケツリレーによって電荷を転送します。

水平転送部が転送している間に、垂直転送部では上で示したような機構によって1番目のバケツに次の電荷が来るように準備します。

512x512画素の場合には、垂直と水平の画素数がちょうど同じなので、垂直転送部の初期段階は同じ画素数となります。

しかし、転送の終わりになってくると垂直成分に残っている画素が少なくなってくるので、短時間で垂直転送部から水平転送部に移す作業が終わり待ち時間が多くなります。

 

【転送のタイミング】

フレームトランスファ機構を見てみると、一種のオートメーション工場のようです。

古い言い方をすればベルトコンベア工場のようです。

転送部は絶えずバケツが上下していて、蛇口機構でバケツの中身を転送するかどうかのタイミングを図っています。

CCD撮像素子は、このようなベルトコンベア機構と同じような電子回路があって忙しく立ち働いているのです。

忙しく立ち働くというのは電気をたくさん食うことにもなります。

絶えずベルトコンベアが動いているのでそのための駆動電源が必要になるのです。

CCDカメラから電荷を取り出す場合、デジタル回路ではクロックによって理路整然とバケツリレーを行っています。

例えば、100kHzのクロックで512x512画素を読み出したとすると、1クロックに1画素の転送を行いますから、

 

512画素x512画素 / 100,000 Hz = 2.62秒　　・・・（Rec -4）

 

1枚の画像を読み出すのに2.6秒かかることになります。

クロックを1MHzにすれば、0.26秒となります。 クロックを速くしてバケツリレーを速く行わせると、これは容易に想像できることですけれど、バケツ内のデータが暴れて飛び散ったり他のバケツに入り込んだりします。

つまり画像の画質が悪くなります。

CCDは、電子制御によってデータ転送を行っているとは言え、一般のバケツリレーと同じような現象が起きます。

従って、貴重な画像データをきれいに送るには、慎重にゆっくりと送らなければなりません。

その意味で、天体観測用のCCDカメラなどは、転送に1分程度の時間をかけてゆっくりと転送をしています。

フレームトランスファ型CCDでは、高速データ転送が難しい理由がこれで理解できると思います。

またこのタイプでは、受光が終わって転送を行う際に遮光をしなければ余計な光が紛れ込んでしまいます。

メカニカルシャッタを素子に付けなければならないという点においても、高速撮影が苦手なことが理解できます。

従ってこのタイプでは、5 - 10コマ／秒程度の撮影が最大となります。 　 　

　

 

■　蓄積部を持つフレームトランスファー型CCD

上図のように、4.の蓄積部を持ったフレームトランスファー型CCDは、3.の蓄積部なしのフルフレームトランスファー型CCDに比べて蓄積部への転送を速く行うことができます。

この機能をもたせたのは、CCDの特徴の一つであるスミア（スメア）を除去する目的がありました。

蓄積部は、アルミの遮光幕で覆われているので、蓄積部から水平転送部へ送る時間をゆっくりにしても外部からの余分な光を十分に遮ることができます。

したがって、このタイプでは、フルフレームトランスファ型CCDで必要であったメカニカルシャッタの装備は必ずしも必要でなくなり、30コマ/秒の撮影が可能になりました。

ただし、このカメラの場合、縦方向成分の500画素から1000画素程度を一気に蓄積部に転送しなければならない関係上、これが転送時間の限界となっています。

転送のタイミングは、カメラが受光を終わって読み出しを始める垂直ブランキング期間に転送する事が多く、この期間がだいたい1ms〜2ms（1/1,000秒〜1/500秒）です。

この転送時間では、強いスポットが被写体にある場合に依然としてスミアが出てしまう可能性があります。

いずれにしても蓄積部のあるフレームトランスファ型CCDの転送は、それほど速く機能させることができません。

蓄積部のあるフレームトランスファ型CCDは、撮像素子の半分が遮光膜で覆われているので外見から一目でそれとわかります。

CCD素子の初期の頃には、このタイプのものが作られましたが、スミアが現れるのでインターライントランスファ型CCDの完成とともに作られなくなりました。

　 　

 

■　インターライントランスファー型CCD

1.のインターライントランスファー型CCD（IT-CCD）は、CCDの代名詞とも呼ばれる代表的なものです。

このタイプのCCDは、「電子シャッタ」が行えるという画期的なものでした。

もちろん開発の目的は、電子シャッタではなく、CCDカメラの特徴であるスミア（スメア）低減でした。

電子シャッタは、VOD（Vertical Overlfow Drain）という機能を追加することで完成します。

 

インターライントランスファー型CCDは、歴史的に見ると最後の方に開発されたもので、1986年には、露出時間をサブミリ秒まで制御できる電子シャッタ機能が付加されました。

シャッタ機能は、我々計測屋にとってはとても好ましい機能です。

通常の市販のCCDカメラでは、1/10,000秒（100us）程度のシャッタ機能が設けられ、計測用のCCDカメラでは1/1,000,000秒（1us）から0.1us（100ns）のシャッタ機能を持つものも市販されています。

 

CCDカメラを市販化しようとした1980年代前半は、放送規格（NTSC規格）がテレビ規格の標準でしたから、これに準拠させようとして、すなわち525本の走査線で、30枚/秒の撮像ができるように設計が行われ、そして改良につぐ改良を経て良好な製品ができるようになりました。

インターライントランスファー型CCDは、そうした高速取り込み（30フレーム/秒）ができるものとして開発されました。

インターライントランスファー型CCDの撮像原理は、【CCD撮像素子の撮像、転送原理】で詳しく触れています。

このタイプのCCDから派生したプログレッシブスキャン型CCDカメラ（インターレース方式ではなく全画素を一気に読み出す方式のカメラ）が、工業用、計測用、コンシューマー用のデジタルカメラに受け入れられるようになりました。

当初、2/3インチから始まった撮像面サイズも、放送局用のCCDカメラは別として、1/2インチ、1/3インチと小型化が進み1/4インチが主力製品となっています。

画素数も、1982年当時は20万画素（480V x 400H）であったものが、100万画素を越えるものが市販化されるようになりました。

1画素の大きさも、発売当初は、13um x 22um程度でしたが、5um x 5um以下のものまで製品化されるようになりました。

　 　 　

 

■　フレームインターライントランスファー型CCD II.のフレームインターライントランスファー型CCD（FIT-CCD）は、インターライン型でありながら蓄積部を兼ね備えたCCDであり、初期のインターライン型よりさらなるスミア（スメア）現象防止のために開発されました。

テレビ放送などで、夜間撮影で街路灯や車のヘッドライトの強いスポットがカメラに入ると上下に縦の輝線が走る現象を見たことがあるかと思いますが、あれがスミア現象です。

もっともこの現象は2000年前半頃までの話で、最近ではほとんどこうした現象は見られなくなりました。

この不具合を持った放送局用のカメラはもう使われていないということです。

携帯電話についているカメラや安価なデジタルカメラには現在でもこの現象が現れることがあります。

この不具合は、画像を垂直転送部で転送する場合に1/60秒かけて転送するので、その間に強い光の迷光が転送部に入り込んでそのためにおきる現象です。

この現象をおさえる手だてとして、垂直転送部に留まっている時間を少なくして速やかに蓄積部に移す方式が考えだされました。

それがフレームインターライントランスファ型CCDです。

通常のインターライン型CCDは、16.67ms（1/60秒）で転送を完了しますが、フレームインターラインタイプのものは240us程度にすることができ、1/69.4倍（1.4%）に時間を短縮できるので、転送中に光が当たるのを短くすることができます。

フレームインターラインは、このようにスミア低減に効果があり、高級CCDカメラ（放送局用CCDカメラ、ENG = Electronic News Gathering カメラ）に採用されています。

放送局用カメラは、現在2/3インチのFIT-CCDが使われ、画素数が40万画素から60万画素が使われています。

 

 

■スミア/スメア（smear）：　　（2007.04.09追記）

スミアとは、CCD撮像素子に起きる特有の現象で、光の漏れ込みによって画像の明るい点を中心に画像縦方向に縞状の強い輝線が走るものです。

スミアの発生は、受光した電荷の垂直転送を行う際に順送りに電荷を転送することに起因しています。

インターライントランスファー型CCDでは、垂直転送部に遮光処置を施して、入射光の影響が極力出ないように作られています。

しかし、それでも100%完全というわけにはいきません。

現実には受光部と垂直転送部の境界部分で遮光が完全でなかったり、撮像素子面で光が多重反射して側面から光が侵入したり、遮光幕も完全ではかったりとわずかな光の混入は避けられないのです。

シャッタ機能を使って非常に短時間のシャッタを働かせたり（これは相対的に受光部に入る光が強くなることを示しています）、感光部の一部に輝度の高い部分がある場合、遮光を施している垂直転送部にもわずかですが影響が出てきます。

通常のインターライントランスファ型CCDは、垂直転送部を1/60秒かけて画像を転送しています。

つまり転送部には最大16.67ms時間分電荷が留まっていることになります。

たとえ電子シャッタ機能によって1画素に1/10,000秒（100us）の蓄積を与えても、転送部で16.67msの足止めをかけられるため、光の漏れが0.01%程度あったとすると、以下のような計算によって、

 

　　　　0.01/100 x 16,667/100 = 0.0167　　・・・（Rec -5）

 

見かけ上、1.67%もの余分な光を拾ってしまいます。

これが10usのシャッタ時間だと16.7%、1usのシャッタ時間だと100%を越えてしまう、つまり露光時間に得た光量より転送時間で入射した光量の方が多くなってしまう計算になります。

画面の中にスポットのような明るい輝度の被写体がある場合も同じような現象が起きます。

明るい輝度のものは100%近い飽和電荷量でセル（画素）に電荷を蓄えます。これがインターライントランスファー型CCDで転送部に移されても読み出し期間中わずかながらも遮光漏れが生じると、本来あるべきハズのない部分に光が被るようになり、視覚上無視できない像となって現れてしまいます。

初期に作られたCCDには、スミアを持ったものが多くありました。

現在のカメラはスミア対策を施してあるので、よほど安価なCCDでない限りスミアを認めることはなくなりました。

しかし、極限的なカメラの使い方をするとスミアが現れます。

 

以下にその参考例を示します。

右の写真は、計測用のCCDシャッタカメラ（インターライントランスファ型CCD）で撮影したサンプルです。

白熱電球のような非常に輝度の高い被写体を電子シャッタを使って撮影する場合、1/1000秒程度までであれば特に画像に支障がでることはありませんが、電子シャッタを短くしていくと像が垂直方向に流れてしまいます。

右の写真の#4は、100ナノ秒というとても短いシャッタを設定したときの画像です。

（計測用のCCDカメラではそれができるのです。）

100ナノ秒に露光をセットして撮影すると、非常に明るい白熱電球自体でさえも露光時間が短いため撮影されず、代わりに1/30秒の転送時間中（33.3ms = 100ナノ秒の333,000倍も長い時間）に強い光が撮像面に入り続けるため（なにせ、100ナノ秒で露光を行うので相当強い光を撮像面に入れないと適正露光が得られないので）、結果として垂直方向に画流れが起る画像となってしまいます。

別のタイプのCCDであるフレームインターライントランスファー型CCDは、インターライン型でありながら蓄積部を兼ね備えたCCDで、転送部に電荷が留（とど）まっている時間を最小に抑えて速やかに蓄積部に移すタイプのものです。

このタイプは放送局用のENGカメラに使われているものです。

通常のインターライン型CCDは16.67ms（ = 1/60秒）で転送を完了しますが、フレームインターラインタイプのものは240us程度で蓄積部に移すことができます。

こうすると、垂直転送部に留まっている時間を1/69.4倍（1.4%）に短くすることができます。

フレームインターライン型CCDは、このようにスミア低減に効果があり高級CCDカメラ（放送局用CCDカメラ）に採用されています。

しかし、この値は、スポーツ放送を含めた一般的な撮影には許容できる時間となるでしょうが、1usを扱う科学技術計測分野では依然スミアが出てしまう危険性があります。

スミアは、CCD固体撮像素子を使う以上避けて通ることができない特性です。

通常の画面では検知しにくくはなっていても、現実には数%のオーダーで転送中に余分な光を被って画質に悪影響を与えていると考えて良いと思います。

メーカではこの点を憂慮して迷光が垂直転送部に入らないようにCCD製造工程の製造精度を上げたり（マスク合わせ誤差の低減）、受光部に効率よく光を集めるマイクロレンズを使って光を画素方向に集中させる工夫をしています。

 

■ブルーミング（blooming）（2000.09.16）：

bloomとは、もともとは花びらが広がるという意味です。

CCDの画素に明るいスポットが当たると周辺まで光が回り込み（電荷が隣の画素にあふれ出し）にじむような現象になることをブルーミングと言います。

CCDは、構造上垂直方向に電荷が漏れやすいので光量漏れは縦方向に広がります。

従って、丸いスポット輝度でもブルーミングが激しいと縦長となります。（右写真、天体写真の星を参照。）

ここで気をつけなければならないのは、ブルーミングはスミアと違うということです。

ブルーミングは受光部に飽和光量以上の強い光が入射して溢れだすもので、スミアは垂直転送時に入ってはいけない光が漏れ入る現象のことです。

スミアの方が縦線が長くなります。

ブルーミングを避けるには、受光部（ホトダイオード）の下部、基板面に対して、垂直縦方向に強い光によって溢れ出た余剰電荷を捨て去る構造（VOD = Vertical Overflow Drain）を組み入れて、ブルーミングの改善を施す方法があります。

現在のCCDカメラは、この方式を採用して大きな効果を得ています。

VOD構造は、大きな副産物も生み出しています。

VOD部にある時間タイミングで掃き出しパルスを与えて、ホトダイオードに蓄えられた電荷を逐次掃き出しを行って必要時間分だけの電荷を蓄えるという「電子シャッタ」機能を付加できたことです。

したがって、最近のCCDカメラは、初期の頃に比べてほとんどブルーミング現象が起きなくなりました。

初期の頃のカメラ、つまりフレームトランスファ型CCDは、100%の開口率であるため余分な光を排除するドレインを作ることができないため、オーバーフローした電荷が右の写真のように垂れるように上下の画像に流れ込んでしまいます。

天体観測用分野では、現在でもこのタイプのカメラが使われているので、ブルーミングは撮影を行う上で気をつけなければならない要素となっています。

 

■　VOD（Vertical Overflow Drain） 構造　（2008.05.07)

CCDの開発の歴史をひもといてみますと、CCD撮像素子開発はスミアとブルーミングとの闘いだったような気がします。

こうした現象をいかに抑えるかがCCD性能向上を計る上で大きな課題だったといえます。

これを低減させるために、いろいろなタイプのCCDが作られてきた印象を受けます。

ブルーミング低減の一つの方式として、受光部に溢れ出た電荷をグランドに速やかに流し去る方法が考えだされました。

これがオーバーフロードレインという方法です。

これは洗面所やお風呂の浴槽にあるオーバーフロードレインと同じで、あふれそうになる水を槽内の排出孔から強制的に流し去る構造と類似しています。

そうしないと溢れ出た水が周りにまき散らされて水浸しになってしまいます。

ブルーミングとはそういう現象なのです。

オーバーフロードレイン構造は、初期は撮像素子の画素の横に溝を掘って排水溝を作っていました。

これをLateral Overflow Drainと呼びました。

しかし、この方法は、素子の受光面を掘割してドレイン回路を作るので、受光部面積が圧迫されてしまいます。

この方法に対して、ドレイン部を素子の垂直方向に配置して受光部下部の基板に余分な電荷を直接排出する構造が考え出されました。

受光部の底にドレイン孔を設けて、電荷を浴槽の下から抜いてしまおうというのがVODです。

こうすれば、素子面をドレイン部（排水溝）で取られることがなく広く使うことができ、感度低減を回避することができます。

また、このドレインは、水位の高さ調整を任意に行うことができ、受光槽が溢れるレベルよりも下に設定しておけば回りの槽に電荷が溢れる出ることはありません。

ドレインの高さは必要に応じて槽内の下部まで下げることができます。

このドレインを下側に設けたことで、副次的な産物を生み出しました。

この構造は、電荷を完全に抜き取ることができるので、必要に応じて受光部を空っぽにしておくことができます。

これが電子シャッタ効果を生み出すことにつながりました。

30フレーム/秒で撮影するカメラでは、1/30秒のほとんどをVODのドレインに流し続け、転送が始まる直前にドレインコックを締めて受光を開始し、その後貯まった電荷を転送部に明け渡すという芸当ができるようになりました。

　 　 　

 

【インターライントランスファ型CCD撮像素子の撮像、転送原理】

インターライントランスファー型CCD撮像素子の構造は、右の図を見てわかるようにかなり複雑です。

CCDの基本的な転送方式は、上のフルフレームトランスファ型CCDの所で述べました。

図のインターライントランスファタイプは初期の頃のもので、後期のものはかなりの改良が施されているため必ずしも同一のものとはなっていません。

図のタイプに示したCCD撮像面のシリコン基板の上には、光を電荷として蓄える受光部と、貯めた電荷を一ヶ所に集めるための転送部が設けられています。

模式的に転送部を大きく描いてありますが、図のような小さな感光部では開口率（素子全体に占める受光部の割合）が悪く、光を撮像素子上に投影しても多くの光を受光できずに低感度の撮像素子となってしまいます。

この欠点を補うため転送部をできるだけ細くしたり、感光部に光を集光させるためのマイクロレンズをつけて集光度を上げる工夫をしています。

構造を見ているとオートメーション工場のベルトコンベアのような感じを受けます。

縦横無尽に電荷を運ぶための転送部が張り巡らされていて、タイミング良く各セル（画素）で蓄えられた電荷が運び出されて行くようになっています。

転送の方式は、縦方向は4相電極による転送が一般的で、水平は2相駆動が主流です。相駆動というのは、垂直転送部のV1からV4の電極に90度ずつずれたパルスを印加させる方式です。

この方法によって、転送部に移された受光蓄積電荷が各相の駆動パルスによってバケツリレーのように運ばれて行き、左下の取り出し口（下図）から押し出されて画像信号として取り出されます。

このようにして、平面に展開された撮像素子の各画素で蓄えられた受光電荷が一箇所から順序よく取り出されます。

 

 

■インターライントランスファー型CCDのシャッタ機能

垂直転送部とVOD機構を持ったインターライントランスファ型CCD（IT-CCD）は、電子シャッター機能があります。

これは高速度カメラや計測用カメラでは非常に有効な機能です。

初期の（グローバルシャッタ機能を持たない）MOS型固体素子や、フルフレームトランスファー型CCDにはシャッタ機能がありません。

IT-CCDでは受光した電荷をあるタイミングで1-2usの時間で転送部に渡します。

転送部に渡すタイミングはCCD素子で若干の違いがありますが、垂直ブランキング（テレビ画面の左上から読み出し始めるタイミング）の前後5us程度で行われます。

電子シャッタは、電荷を垂直転送部に渡す直前までの一定の時間だけ受光し、それ以前に受光した電荷は強制的に掃き出すものです。

掃き出すのは一回の動作でなく水平読み出し時間（1H）のタイミングで何度も吐き出し信号を与えて各セル（画素）に貯まった電荷をオーバーフロードレインに掃き出します。

垂直転送部にシフトするタイミングが近づくと、予め決められた露光時間分のタイミングで掃き出しを止めて露光を開始し、露光時間が経過した時点で垂直転送部にシフトさせます。

こうして電子シャッタが働きます。

 

 

■フレーム蓄積とフィールド蓄積（フレーム読み出しとフィールド読み出し）（Frame/Field Integration, Frame/Field Readout)　　（2008.05.18）（2008.006.01追記)

1990年代までの計測用CCDカタログを見ると、CCDの性能の欄にフレーム蓄積とフィールド蓄積という機能が書かれています。

また、計測用のCCDカメラを購入すると、取扱説明書にフレーム蓄積とフィールド蓄積の設定の仕方が書いてありました。

しかし、現在主流になっているプログレッシブスキャン型CCDではこの機能を設けていません。

新しいカメラは、従来の煩わしい考えをしなくてもそれ以上の画質とシャッタを行えるようになったからです。

1990年代までのビデオカメラは、高速撮影（=短時間露光などの計測撮影)に複雑なテクニックを必要としました。

ビデオ信号を利用したカメラを計測カメラとして使おうとした場合、面倒な所作が必要だったのです。

 

フレーム蓄積とフィールド蓄積とは、いったいどういう意味と効果があるのでしょうか。

 

インターラインフレームトランスファ型CCDは、今まで何度も述べているように、NTSCと呼ばれる放送規格に準拠した読み出し方式の撮像素子として開発されました。

ビデオカメラ用の素子として開発されました。

この規格では、1秒間に30枚の映像が作られ、1枚の映像（1フレーム）は2つの画面（2つのフィールド）によって構成されていました。

（これをインターレース方式と言い、2011年まで放送されているアナログ放送はこの規格に従っています。）

また、1枚の映像（1フレーム）の垂直走査線は、525本と決められていますから、1フィールドはその半分の262.5本となります。

1フレームの半分が1フィールドです。

このフレーム、もしくはフィールドを使った画像の蓄積（読み出し）の違いを、フレーム蓄積、もしくは、フィールド蓄積と呼びました。

なぜ、このような難しいフィールド/フレームと呼ばれる方式をNTSCは採用したのでしょう。

これは、インターレース（interlace）という項目で詳しく触れていますが、要するにテレビができた当時はこのような方式を取らざるを得なかったということです。

わかりやすい送信の方式を取る技術が当時無かったということです。

わかりやすい技術とは、525本の走査線を1秒間に60回の割合で送るという方式です。

当時、それだけたくさんの映像情報を送る技術が無かった、しかたなく2回に分けて送った、それが2フィールド1フレームの画像だったわけです。

 

▲テレビジョン規格のCCDを計測用に使わなければならなかった時代：

一昔前までは、今のように多様化した撮像素子がなかったので、放送用に使われていたテレビカメラを計測用として使うことが一般的でした。

NTSC規格に準拠したビデオ画像（ビデオ信号）をうまく利用していたのです。

たとえば撮影速度が欲しい応用には、1フィールドを1枚として1画面を構成し、60フィールド/秒とみなして相対的な撮影速度を上げて使っていました。

しかし、これを通常のVTR（ビデオテープレコーダ）に記録して再生し、希望する画像を「Still = スティル（静止画）」機能で止めると2枚の映像がパカパカと重なって再生されます。

これは、通常のVTRが2フィールドを1フレームとして画面を構成するという約束を守って1/60秒ずつずれた映像を交互に再生するために起きる問題です。

テレビカメラのこのような撮影の仕方をフレーム蓄積（フレーム読み出し）と呼んでいます。

計測分野で通常のVTRを使う場合は、上記の問題が現れるので、フィールド再生ができる業務用のVTR（もしくは計測用の特殊VTR）を使っていました。1フィールドずつを磁気ヘッドで読み出して表示するというのは一般的なビデオ信号出力ではあり得ないことだったのです。

 

▲　1/30秒の露光を持つフレーム蓄積（Frame Integration) ：

フレーム蓄積による撮影では、1フィールドが1/30秒の蓄積となり、これが1/60秒ずつずれて画像が形成されていきます。

1フィールドの画像は前後のフィールド画像と1/60秒ずつオーバーラップした時間情報を持っていました。

この方式では、1画像（1フィールド）が時間軸に対して完全に独立したものではありませんでした。

従ってこの露光方法で、画像解析を行おうとすると、時間情報が曖昧なものになってしまいます。

画質はフレームで得られるので良好な反面、時間に対してルーズな画像となります。

映像を垂れ流す放送映像であれば、これは特に問題とならなかったようですが、計測分野では大きな問題となりました。

この問題は、電子シャッタの採用以前はストロボの短時間発光で解決を見たり、電子シャッタの採用で大きな問題とならなくなりました。

 

▲　時間の同時性を重視したフィールド蓄積 （Field Integration) ：

フィールド蓄積は、フレーム蓄積とは反対に1/60秒単位で2つのフィールドを合成して取り出す方式です。

つまり、1/60秒のタイミングで奇フィールドと偶フィールドを合成して1つのフィールドとして出力します。

フレーム蓄積では、フィールドの蓄積時間は1/30秒となるのに対し、フィールド蓄積では1/60秒と半分になります。

この方式は、フレーム蓄積に比べて時間的な整合性が取れるようになる反面、2つのフィールドの空間成分が1つのフィールド成分で合成されますので垂直解像力は悪く（半分に）なります。

最近のインターライントランスファ型CCDは、電子シャッタ機能によって蓄積時間が制御できるようになったので、フレーム蓄積とかフィールド蓄積という呼び方は適切でなくなり、フレーム読み出しとかフィールド読み出しという言い方をするようになっています。

蓄積（受光）が任意にできるようになったため、読み出しだけを定義するようになりました。

 

▲電子シャッタ（Electric Shutter)の恩恵：

電子シャッター機能は、先に「VOD（Vertical Overflow Drain）構造」で説明しました。

この機能は、計測カメラでは重要な機能でした。

この機能によって動きの速い対象物を移動ボケなく撮影できるようになりました。

ただ、この機能は読み出される直前の決められた時間分だけの露光に限られていて、任意の時間でのシャッタはできません。

従って、「フレーム読み出し」、「フィールド読み出し」の機能は、露光時間が短くなっただけで他の機能は同様に残っています。

電子シャッタ機能を使った「フレーム読み出し」では時間的に完全に分離した2枚のフィールド像が得られるようになります。

「フィールド読み出し」では垂直分解能が悪くなる反面、二つの画素（奇フィールドと偶フィールド分）が合成されますから信号成分が2倍になりS/N（Signal to Noise Ratio）のよい画像が得られるというメリットがありました。

電子シャッタは、短い露光時間に設定すると被写体によってはスミアが出る可能性がでたり、先に説明したように任意のタイミングで露光がかけられないデメリットがありましたので、これを補う形でストロボ（短時間発光光源）が使われました。

 

▲ストロボなどの外部短時間発光光源を利用した短時間露光撮影：

電子シャッタ機能が搭載されたCCDカメラであってもフレーム読み出しモードでは、2フィールド間の時間差は1/60秒あります。

また、フィールド読み出しでは1/60秒毎に短時間露光の画像が得られるものの、画質が半分になってしまいます。

こうした不具合を解決して、同時間で短時間露光を行って良好な画質（フレーム画質）を得るには、右に示すようなストロボを使った方式がベストでした。

ストロボは、1us〜20us程度で200Hz程度の強力な発光が可能でした。

このストロボを使ってCCDをフレーム蓄積モードにして、第一フィールドと第二フィールドの同時蓄積時間（1/30秒の間）内でストロボを発光させると、同一時間での全画面撮影ができます。

ストロボ撮影モードでは、カメラ側からストロボを発光させるタイミング信号を出す必要がありました。

ストロボが勝手に発光すると、第一フィールドと第二フィールドのタイミングが狂い、前のフレーム画面に第二フィールド画面が入ってしまって生き別れ画像（1/60秒ずれた画像）となってしまいます。

こうした複雑な撮影手法も、プログレッシブスキャン型CCDの登場で撮影が楽なものになりました。

 

▲プログレッシブスキャン型CCD（Progressive scan CCD)の登場：

最近では、NTSC規格に準拠しないCCD素子、つまり、デジタルスティルカメラやコンピュータ用（学術研究用、工業用）のCCDカメラが開発されるようになって、上記に述べたようなモードで撮影しなくても十分な解像力を持ち、しかも電子シャッタの効くものが市販されるようになりました。

以下に述べるプログレッシブスキャン型CCDカメラ（Megaplus ES11000）もそのうちの一つで、2005年には4,008画素 x 2,672画素、電子シャッタ機能、12ビット濃度（4096階調）という高精度の性能を持つものも市販されるようになりました。

2011年から完全移行するデジタルテレビ放送でもプログレッシブ放送が採用されています。

 

■プログレッシブスキャン型CCD（Progressive scan CCD)

インターライントランスファ型CCDは、インターレースタイプのため1/60秒毎に全画素の半分ずつを読み出す方式を取っています。

プログレッシブスキャン型は、こうしたフィールド毎の読み出しに替えて全部の画素を読み出してしまう方式です。

デジタルカメラやコンピュータ対応のカメラの出現によって、従来の放送規格（NTSC）にとらわれる必要がないためこうした素子の開発が可能になりました。

放送局以外にも大きなマーケットがあるとメーカ側が市場を呼んだ結果だと思います。

その思惑通りに、このマーケットは携帯電話内蔵のカメラやデジタルカメラ、計測用のカメラに受け入れられて行きました。

このタイプの素子は、撮像素子分の全画素を一度に取り出すことができるので静止画像での垂直方向の解像度が高くとれ、また、帯域圧縮や符号化での画像処理の際に、水平、垂直各方向の解像度のバランスが良くなるという特徴があります。

模式図を右に示します。構造はインターライントランスファ型CCD（IT-CCD）とほぼ同じですが、違いは転送部が1つの受光セルに対して3つの電極に対応していて3相による転送方式を採用していることです。

この方式の採用によって全画素を一気に垂直転送路に送り出すことができるようになりました。

シャッタ機能もインターライントランスファ型と同じように電子シャッタを切ることができ、なおかつ全画素同時期のシャッタリングが可能であるため解像度が高くて効率の良い電子シャッタを有する撮像素子となりました。

ただ、問題点もあります。

全画素を一度に読み出す関係上、受光電荷が垂直転送部や水平転送部から吐き出されるまで素子上に留まっている滞留時間が通常のIT-CCDより長くなり、スミアが出やすくなります。

SVGAタイプのプログレッシブスキャンCCDの画素では1,280 x 1,024画素あり、1,024個の電荷が一度に垂直転送部に移されます。

これを、例えば20MHzのクロックで水平転送部から読み出したとすると、全ての読み出しに65.536msかかることになります。

インターレース方式のIT-CCDでは、525本の半分の262.5本が1/60秒の間に移動しますから、プログレッシブスキャンタイプのCCDは3.93倍も長く撮像素子上にいることになります。

従ってプログレッシブスキャンCCDは、電子シャッターで短い露出時間を切るとスミアの出る可能性が通常のIT-CCDより多くなることがわかります。

プログレッシブスキャン型CCDを使う場合は、この特性を知って電子シャッタの設定や照明の選択をする必要があります。

また、デジタル一眼レフカメラの場合、4,000画素x3,000画素などのような膨大な画素を転送する場合に、その転送時間はかなり長いものになる（約1/10秒）と想像されます。

この場合、長い転送時間中に発生するスミアを防ぐため、デジタル一眼レフカメラではフォーカルプレーンシャッタで撮像素子を完全遮光してデータの転送を行っています。

そもそも、一眼レフカメラでは電子シャッタ機能を搭載していません。

それだけ複雑な機能を盛り込んで、感度を落としたり解像力を落としてもそれに見合うメリットがないからです。

フォーカルプレーンシャッタがこうした問題を解決してくれるからです。

また、CMOSタイプのもので電子シャッタ機能の無いデジタル一眼レフカメラでは、フォーカルプレーンシャッタでしかシャッタを行うことができません

 

 

■画素ずらし（pixel shift technology)　　（2000.08.09）（2008.06.08追記）

カラー撮像カメラのように2枚以上の撮像素子を使用している場合、撮像素子を水平方向に1/2画素分ずらすと空間情報が補間できて水平解像度を上げることができます。

これを「画素ずらし」といいます。

インターライントランスファ型CCDは、垂直転送部やオーバーフロードレイン部が撮像素子面に配置されている関係上、受光部を撮像面上にびっしりと詰めて配列できないために飛び飛びに配置されています。

その欠点を逆手にとって他のCCDを受光部のない位置に配置し、この画素で信号を補ってやれば水平方向の画素を実質的に2倍近くに増加させることができます。

この方法によって、41万画素560TV本の性能を持つCCDを用いて800TV本近い解像度を得るようになります。

この数値は、放送規格用のテレビカメラの目安となるものです。

この性能が出れば、現行のアナログNTSC放送信号に乗せて放送できる水準となります。

CCDの1画素の大きさは、通常5〜7um程度なので素子をずらす範囲はこの半分の2.5〜3.5um程度となります。

簡単に2.5umと言いますが、この値は結構シビアな位置精度です。

それに加えてCCD 自体の寸法精度や、素子の面精度、画素精度にもかなりの性能が要求され、数ミクロンオーダーで素子を光学部品に張り合わせる技術が必要となります。

ちなみに、3板CCDカメラの場合、ダイクロイックミラーにCCD撮像素子を張り合わせる精度は、X,Y,Z軸方向がそれぞれ±0.1um、アオリの角度、回転角度（α、β、θ）がそれぞれα = β = ±7.2秒、θ = ±0.9秒が要求されます。

RGB3板カメラを使って素子をずらす場合、G（緑）の素子をずらします。

ハイビジョンカメラ（HDTV用カメラ）のように高精細度のCCD素子が作りにくい場合は、4板式カメラといって、G（緑）の素子を2つ使う（R,B,G1,G2）方式が開発されています。

また、CCD1枚を用いた画素ずらしも考え出されています。

この方法は、レンズと撮像素子の間にプリズムを置く方法や、素子を圧電素子を使ってメカ的に動かす方法が考え出されています。

この方式の場合、1画面のメモリ（フィールドメモリ）によって画像を蓄えて電子的に画像を再構築する必要がでてきます。

 

 

■　3板CCD素子（3CCD)　（2008.05.29）（2008.06.08追記）

3板CCDカメラは、カラーカメラの最も基本的なレイアウトです。

このレイアウトでは、3つのCCD素子を使ってカラー情報（R.G.B.）を得ています。

現在のビデオカメラのラインナップから見ると、3板CCDカメラは豪華な感じを受けます。

しかし、現在主流になっているカラーフィルタ式単板素子が普及する1990年頃までのカラーカメラと言えば、3板もしくは3管が一般的でした。

現在のほとんどのカラーカメラは、ベイヤーフォーマットによる1枚のCCD（カラーフィルタ式単板素子）を使っていて、1枚の素子からカラー画像を得ています。

しかし、高画質が求められる放送局のテレビカメラには、依然としてRGBによるカラー三原色画像が得られる3板CCDカメラが使われています。

　

　

　

　

　

　

　

　　

 

【3色分解手法】

3つの撮像素子を使って赤（R)、緑（G）、青（B）の3波長の独立した色映像を撮る方法は、撮像管時代から行われていました。

テレビ放送がカラー化された時代からこの方式があったのです。

 

さらにさかのぼって、映画カメラに目を向けてみても、カラーフィルムが発明される1950年代までは、3本の35mm白黒フィルムをカメラのマガジンに詰めて3本のフィルムを同時に駆動させ、カメラレンズからの入射光をビームスプリッタで分けて3色分解撮影をしていました。

米国テクニカラー社（Technicolor Motion Picture Corporation、1915年設立）が開発したカラー映画撮影システムは、映画で初めてカラー上映を可能にしました。

テクニカラー社の映画は、それまでの白黒映画と区別して「総天然色」と呼ばれていました。

総天然色の「総」がついているのは、1917年に開発された最初のカラー映像は、3色ではなく2色（赤と緑）による色づけの「天然色」だったからです。

テクニカラーは、完全な天然色ですよ、という意味で「総天然色」と呼ばれました。

2色を使った「天然色」は、緑と赤を色分解して1つのフレーム内に2画面分割して撮影し、上映時に緑と赤のフィルタをかけてスクリーン上でに合成して上映していました。

今となっては変な色合いだと思いますが、曲がりなりにも色がついていたので「天然色」と名付けられていたのです。

2色などとケチくさいことを言わず3色にすれば良いと思いますが、はっきり言えば、3色に分解する技術が当時なかったのです。

現在はダイクロイックミラーという効率のよい色分解フィルタがありますが、当時はコーティング技術さえなく、ビームスプリッタは光を半分に分けることで精一杯だったのです。

テクニカラーの三色分解は、従ってビームスプリッタで分かれたアパーチャそれぞれに、「緑」と「青と赤（マゼンタ）」を透過するフィルタをつけていました。

マゼンタフィルタが付けられたアパーチャ部には、青成分と赤成分を撮影するフィルムが背中合わせになって露光されるようになっていました。

2ロール分の背中わせフィルムは波長感度の違う2種類の白黒フィルムが使われました。

それは、青に感度を持つオルソグラフィックフィルム（歴史的にみると最初にできた白黒フィルム、初期のフィルムは赤に感度がなかった）と、赤に感度を持つパンクロマチックフィルムでした。

このカメラに使われたレンズは、ビームスプリッタがレンズとフィルムの間に入るので、バックフォーカスの長いレンズが必要でした。

このために、当時、レンズ製作で有名であった英国のTaylor-Hobson社（後のCooke社）にテクニカラー用レンズの製作を依頼し、f30mm〜f140mmのレンズを取りそろえました。

広角レンズは、設計が難しかったそうです。

ビームスプリッタで分けられた光学系は当然暗くなるので撮影にはたくさんの照明が必要でした。

こうして1922年より、3色分解による本格的なカラー映画が作られ始め、「十戒」（1923）、「ベン・ハー」（1925）に使われました。

究極の作品は、ディズニーアニメーションの「白雪姫」（1937年）、「オズの魔法使い」（1939年）、「風と共に去りぬ」（1939年）で、これらの作品はカラー映画のすばらしさを決定づけました。

全盛期のテクニカラー映画は、作風もさることながらカラー描写の見事さによって歴史に残るヒット作となりました。

ちなみに、テクニカラーは、1950年にKodak社が開発した35mmカラーネガティブフィルムの登場によって（1本のフィルムで3色分解された画像を記録できるため撮影とプリントが楽になり）衰退の一途をたどり、1950年代後半にはKodakカラーフィルムその座を明け渡してしまいました。

テクニカラー映画は、撮影と現像にたくさんの労力とお金がかかりました。

カメラが大きく、色分解をするので照明がたくさん必要で取り回しが大変でした。

コダカラーは、その点取り回しが格段に楽だったのです。

テクニカラーの衰退と共に、「総天然色」という名前も色あせて、「カラー」が日本語の市民権を得るようになりました。

 

撮像管の時代のカラーカメラと言えば、下の図に示したような三色分解の光学系に3つの撮像管をつけたものが一般的でした。

カラーテレビ放送は、米国で1953年に始まります。

日本では1960年に始まりますが、家庭にカラー受像機が普及して本格的になるのは1970年頃だと記憶しています。

当時（1960年〜1990年）のカラーテレビカメラは、一つの撮像管でカラー情報を得ることが困難な時代でした。

CCDカメラの時代になってもカラーカメラの3色分解手法は踏襲され、3板CCDは高級カラーカメラの代名詞として使われていました。

【ダイクロイックプリズムの機能】

3板CCDカメラに代表される3原色分解の光学系は、先にその構造を示しました。

複雑な形状をした3個のプリズムと多層膜コーティングを施したダイクロイックプリズム（dichroic prism）によって、光を効率よく波長別に分解しています。

このプリズムは、プリズムの合わせ面にダイクロイックミラーを用いています。

ダイクロイックミラーは、フッ化マグネシウムや酸化シリコン、酸化チタン、硫化亜鉛などの薄膜で光の干渉作用を利用して希望する波長を透過・反射するものです。

メガネのコーティングやレンズのコーティング面を見ると、うっすらと紫や緑などの反射光が認められると思いますが、そうした蒸着による薄膜生成を幾重（20層〜30層）にも重ねて光の波長レベルの薄さの層を形成すると、光の吸収損失を低く抑えて希望する波長を反射させ残りの光（補色）を透過させるようになります。

プリズムは、波長選択された光を全反射によって希望する素子に到達させる働きを持ちます。

一般的なダイクロイックプリズムを使ったカメラ光学素子は、初段のプリズム貼り合わせ面で青色を反射し、残った緑と赤成分のうち赤色成分を2段目のプリズム面で反射させます。

素子の前にトリミングフィルタを入れるのは、さらに波長選択を良くした光を撮像素子に入れるためです。

プリズムの材質には、双眼鏡で使われている光学ガラス（BK7）が使われ、各プリズムの光学パスが等しくなるように設計されています。

プリズムの製作はかなり難しいものだと言われています。

それに加え、ダイクロイックミラーの蒸着、CCD素子の貼り合わせなどすべての工程において、サブミクロン領域の製作・組み立て精度が要求されます。

1枚の撮像素子でカラー画像を得る方式よりも遙かにコストがかかることが理解できます。

3板CCDカメラは、現在一般的になっている単板式カラーフィルタ式CCDカメラとどのような違いがあるのでしょうか。

その特徴を以下に示します。

 

【利点】

1.　偽色（color artifact）が起きない非常に精度よく配置された撮像素子においては、

　　　1画素の色情報を忠実に拾うことができるので、2x2画素（4画素）もしくは3x3画素（9画素）に

　 　　渡って色情報を集める単板式カラーフィルタCCDに比べて原理的に色のにじみとボケがない。

2.　解像力が高い。

　　　3つのCCD素子を使っているので、精度良く光学系が組み上がって正しい貼り合わせができていれば

　　　解像力の高い画像を得ることが可能。

　　　画素ずらしという手法を使うと解像力が2倍にアップ。

3.　感度が高い。

　　　ダイクロイックプリズムにより希望する波長成分のほとんどを撮像素子に送ることができる。

　 　　単板カラーフィルタCCDは、構造上1/3以下の光しか光を受光できない。

 

【欠点】

4.　製造に高度の技術が必要。

　 　　プリズムの製造、ダイクロイックフィルタの製造、貼り合わに高度の技術が必要。

　　　高価になる。

5.　カメラサイズが大きくなる。

　 　　3つの撮像素子を利用し、ダイクロイックプリズムを内蔵するので大きくなる。

6.　カメラレンズにダイクロイックプリズムに対応したものが必要。

　　　フランジバックの長い専用レンズ。及び色補正の考慮されたもの。

7.　高価。

 

こうした理由により、現在のところ3板CCDカメラは放送局用や顕微鏡などの計測分野での使用がメインとなり、高速度カメラなどの計測カメラを含めデジタル一眼レフカメラでは、カラーフィルタ式単板素子が使われるようになっています。

 

■カラーフィルタ方式CCD素子（ Bayer Filter, Color Filter Array）

カラーカメラのオーソドックスなものは、上に述べた3板CCDカメラです。

これは、RGBの三原色にそれぞれCCDカメラを置いて、3つのCCDカメラで色情報を採取してカラー画像を合成する手法です。

3板CCDカメラは、素子を3つ用いて、これをダイクロイックミラーと呼ばれる三色分解光学系にくっつけて作られるカメラですから、価格も当然高いものになります。

よりシンプルな撮像素子でカラー撮影を可能にしたのが、1枚のCCD素子上にマトリクス状のカラーフィルタを張り合わせたものです。

各画素には一つのカラーフィルタが割り当てられていて、相互に色情報を補い合ってマトリクス計算により各画素の色を特定するという方式をとっています。

これは、BAYERフォーマットと呼ばれているものです。

このベイヤーフォーマットは、1960年代Kodak研究所にいたBayer博士が考案し、特許を取得したフィルタ処理によるRGBカラー画像構築手法です（Bryce E. Bayer、登録番号：3971065［1976年7月20日］、題目：Color Imaging Array、出願者Eastman Kodak）。

この方式は、CCDカメラ用ではなく、銀塩カラーフィルム開発の一環で考案されたようです（1960年代は、CCDカメラもなければテレビ撮像管も発展途上にあり、カラーカメラは3管式が主流でした）。

しかし、フィルム感光材料の分野では、フィルム面上に三層の感光膜（シアン、イエロー、マゼンタ層）を塗布する技術が確立したため、Bayer氏が考案したフィルタアレイは写真の分野からはなくなりました。

Bayer博士の考案したRGB方式のカラー撮影手法は、1993年にパテントが切れたために日本のデジタルカメラメーカがこぞって採用をはじめ一般的になりました。

Bayer氏が考案したアレー状カラーフィルタ方式は、R.G.Bの市松模様を基本原理としていましたが、テレビカメラに使うには、つまり、インターレース方式のカメラに採用するにはいろいろな問題点がありました。

このタイプのCCD素子は、インターレース方式を使わないデジタルカメラによって最終的に脚光を浴びるようになります。

インターレース方式のCCDは2フィールドで画面を構成するために、上に示したようなアレイではフィールド間に入ってしまい、色を作る際に1/60秒の時間的ズレがあったりで都合の悪いものでした。

また、R.G.B.方式のカラーフィルタは色再現性が優れているものの、光の分離が効率よくなく（白色光の1/3しか各フィルタに入らないため）、低感度という問題を抱えていました。

 

感度の点では補色フィルタ方式（シアン、イエロー、マゼンタ、それに輝度信号を得るためのグリーンフィルタを用いた方式）の方が効率のよいカラー画像が得られました。

1983年、松下電器は、インターラインCCD用のカラーフィルタを用いてフィールド単位でカラー画像が得られるシステムを提案しました。

Bayerフォーマットの特許が切れた今日では、発色性の良いBayerフォーマットが単板式のビデオカメラの主流になっています。

上右図にBayer式カラーフィルタの原理を示します。基本的なレイアウトは、素子の左上が赤のフィルタで始まることです。

色情報は、4つの画素に囲まれた真ん中に仮想の画素を設けます。

仮想画素のまわりの4つの実際のフィルタ付き画素は、緑（G=Green）の画素2つと赤（R=Red）、青（B=Blue）の画素それぞれ1つで構成されます。

緑の占める割合が多いことがわかります。

これは人間の視感度が緑に対して効率が良いためCCDフィルタも余分に光を与えてバランスを取っているためです。

図の仮想画素Pxに注目してみましょう。

Pxのカラー情報は、近傍の画素のカラー情報からマトリクス計算によって得られるのですが、

 

・緑（G）は、近傍のG7とG10を足して2で割る。

・赤（R）は、R11を優先してその周りの赤色情報も加味する。

・青（B）も赤と同様の処理をする。

 

という形で任意のセルの色を特定していきます。式で表すと以下のようになります。

 

P _green = (G₇ + G₁₀)/2　　・・・（Rec -6）

 

P _red = (9・R₁₁ + 3・R₃ + 3・R₉ + R₁）/16　　・・・（Rec -7）

 

P _blue = (9・B₆ + 3・B₈ + 3・B₁₄ + B₁₆）/16　　・・・（Rec -8）

 

 

この手法が本当に現実の色を再現しているかどうかは議論のあるところですが、簡単に彩色できるという画期的な方法ではあります。

現在のデジタルカメラは、ほとんどすべてこの方法によっています。

 

 

■　モアレと光学ローパスフィルタ（Moire, Optical Low Pass Filter）　　（2008.05.09)（2008.05.14追記）

個体撮像素子の画像に現れる特徴の一つにモアレ画像があります。

非常にきめの細かい対象物を写したときに、細かい対象物のピッチが撮像素子の画素ピッチと干渉し、本来の画像とは異なる濃淡画像が現れます。

これをモアレ画像と呼んでいます。

テレビなどで、キメの細かいネクタイや、窓のブラインド、チェックのシャツなどが映し出されると色がにじんだり濃淡が変化して見えることがあります。

これがモアレ画像です。

モアレ画像は、見た目に見苦しいばかりでなく、間違った情報を与えるのでこれを除去することが大きな課題となっていました。

ただ、モアレ対策が熱心であったのは、放送業界やデジタル一眼レフカメラに代表される画像品質にうるさいマーケットであり、計測分野ではこうした対策をたてているカメラは多くは見かけません。

なぜ、そうした傾向があるのかはさだかではありませんが、計測用のカメラは画像にあまり作為的な処理をしたくないという要求があるように思えます。

画像処理は、目的に応じて個別に行なわないと希望する情報が消されてしまい、撮影側に知らされずに化粧された画像が作られてしまう懸念があります。

計測カメラを使う研究者たちはそれを嫌います。

撮影側に問題があってもそれを熟知して対応したほうが、計測機器として信頼して使えるからです。

新しい概念で作られた3層CMOS固体撮像素子（米国Foveon社のX3、SIGMA社のデジタル一眼レフカメラに搭載）では、素子の構造上光学ローパスフィルタは必要ない、として取り付けてないカメラもあります。

 

モアレ画像を除去する方法は、以下の4種類があります。現在の所、1.の水晶板を使った方法が一般的です。

 

1.　水晶板を使う方法　-　結晶硝子の複屈折を利用して、高周波成分を鈍らせ干渉を起こしにくくする。水晶板の厚さによって、鈍らせる周波数を変えられる。

2.　レンチキュラを使う方法　-　かまぼこ型円筒レンズを多数平行に配列して配置。

3.　位相フィルタを使う方法　-　位相を変える透明薄膜をストライプ状に形成。

4.　クリスチャンセンフィルタを使う方法　-　特定の波長に対し、散乱する物質を液体中に分散。

 

■　水晶板ローパスフィルタ

CCDなどの固体撮像素子に用いられるモアレ画像対策では、水晶による結晶板で作られたローパスフィルタ（Low Pass Filter）を撮像素子面の前に取り付ける方法が最も一般的です。

水晶結晶板を使ったローパスフィルタは、撮像素子のピッチの2倍以下の成分（ = 2画素分以下）の情報をカットします。

カットすると言うと何となくシャープな感じを与えますが、実を言うとボカしているのです。

結果的に高周波数成分を通過させない（霧散させてしまう)ことになります。

このフィルタは、たとえば、12um x 12um の画素を持つ素子であれば、素子上に投影される画像情報の24um以下のものを通過させない機能を持ちます。

一般的に考えると、カメラで得られる情報は、撮像素子の大きさまで記録されると考えがちですが、モアレ対策のためにローパスフィルタを組み込んだ固体撮像素子では、画サイズの倍の大きさ以上の解像力しか持ちえないことになります。

簡単に言えば、像の錯乱円を光学フィルタによって2画素ｘ2画素（4画素）程度に決めてしまう方法です。

素子の1画素が12umx12umであれば、φ34umの許容錯乱円にすることになります。

光学ローパスフィルタは、「牛の角を矯める」やり方と似ていますので、選択を間違えるとやけに惚けた画像になってしまうことがあります。

要するに、水晶板によるローパスフィルタ効果は、フォーカスを少し甘くしてモアレが出なくするということです。

水晶板は、方解石などと同じように複屈折効果を持っていて、これに入射する光は常光線（ordinary ray）と異常光線（extraordinary ray）に分かれます。

この2線は、結晶構造の光軸に対してある角度（水晶の場合、44.83°）を持たせて光を入射させた場合に最も分離（d)が大きく現れます。

2つに別れた光は、結晶板中を通過していくので、結晶板が厚ければそれだけ分離巾が大きくなります。

結晶板の厚さ（ｔ）と2線の分離巾（ｄ）の関係は以下の式で近似されます。

 

d ≒ t・（n_e² - n_o²）/（2・n_o・n_e）　　　　・・・（Rec -9）

 

　　　d：　2線（水晶板中の常光線と異常光線）の分離巾

　　　t：　水晶板の厚さ

　　　n_e：　常光線の屈折率（λ= 589.3nmの時1.5534）

　　　n_o：　異常光線の屈折率（λ= 589.3nmの時1.5443）

 

この式から、画素ピッチ分の分離巾（d）を得る水晶板の厚さを割り出すことができます。

画素ピッチは、6umから12umが多いので、上の式を用いてこれらの素子に使われる水晶板の厚さを求めると1mm〜2mmになることがわかります。

実際の光学ローパスフィルタは、3枚の水晶板を張り合わせて使用されています。

なぜ三枚使用するかというと、一枚の水晶板だけでは1方向の周波数成分しかカットできないため、2成分（縦方向と横方向)の高周波成分をカットするためには2枚の水晶板が必要になるからです。

ただ単に2枚を重ね合わせても、1枚目の水晶板を透過した複屈折光線は偏光がかかっているので、そのまま水晶板を重ねても効果がありません。

偏光がかかった光線を一旦もどして（円偏光にして)2枚目の水晶板にいれるために、偏光を変える1/4波長水晶板を2枚のローパスフィルタの間に入れます。

このようにして、固体撮像素子の光学ローパスフィルタは構成されています。

実際の光学フィルタは、右図に示したように、赤外/紫外カットや反射防止を考慮した複数枚の光学ガラスとフィルムを張り合わせてできています。

 

 

■　偽色（ぎしょく、color artifact）　（2008.11.29）

ベイヤーフォーマットを使った単板撮像素子では、前述のモアレとともに色ズレの問題が発生します。

この色ズレは、偽色（ぎしょく）と呼ばれています。

ベイヤー方式（モザイクフィルタ方式）では、色の決定に4画素もしくは9画素を使うために、非常に細かい画像パターンが撮像素子に入ると、正確な色が特定できずに誤った色が発生します。

つまり、偽色は、明るくて細かい画像や、明るい対象物の輪郭部分に本来の色ではない色が現れることを言います。

偽色は、モアレ同様、ローパスフィルタを用いることにより緩和され、自然な色が作られます。

当然、解像力は物理的画素数の半分以下になります。

 

なお、日本のWebサイトの多くに、偽色をfalse color（フォールスカラー）とあてているのを見かけますが、これは間違いです。

False Colorは、本来、別の意味があり、日本語では擬似カラーと訳されているものです。

False Colorは、米国コダックが、1960年代に赤外カラーフィルム（Kodak Ektachrome Infrared Aero Film, Type 8443）を開発してから使われるようになった言葉で、この時代から急速に普及しました。

False Color は、モザイク画像のCCDよりもずっと前にできている言葉です。

しかも、その言葉の意味は、CCDで起きる偽色とは全く異なったものです。

赤外カラーフィルムは、赤外領域（700nm〜900nm）に感度を持ったフィルムで、人間の目には見えない赤外部を赤色にあててカラー写真を得るものです。

従って、本来人間の見える色（true color）とは異なった発色画像となっています。

赤外写真は、本来軍需用に開発が進められ、1910年代の第一次世界大戦から出発しました。

もちろんその当時は白黒写真でした。

擬似カラー写真は、ベトナム戦争でゲリラが原野や山林に偽装して潜伏しているのを発見するために、これを行う航空写真撮影に多様されました。

木々の葉や草は、活性が良いと赤外線を多く反射するので、擬似カラー写真で見ると真っ赤に見えます。偽装されたアジトは、赤く写りません。

こうしたことから、擬似カラー写真は、航空機や衛星から地上や海域を探査するツールとして、リモートセンシング分野でよく使われるようになりました。

今述べたことから、False Colorは、CCDの画素による偽色とは似ても似つかない性質のものであることが理解できましょう。

CCDやCMOSを扱う米国の専門家たちは、従って、素子の偽色のことを Color artifact と呼んでいます。

同じような言葉に pseudo color（スードカラー）があります。

この言葉は、白黒画像を濃度に応じて加色する場合に使う言葉です。

画像処理分野でよく使われています。

 

 

■　三層カラーCMOS素子（Foveon X3 CMOS）　（2008.05.15）（2008.05.17追記）

多くのカラーカメラが、先に紹介したBayerフォーマットのマトリクスフィルタによる単板素子を使っているのに対し、カラーフィルムの構造と似たような3層（R、G、B）縦配列（垂直配列）による受光素子を作ったメーカがあります。

そのメーカは、Foveon（フォビオン）（米国カルフォルニア州、1997年創設）と呼ばれる会社で、2002年にこの素子を開発しました。

この素子は、日本のレンズ・カメラメーカのSIGMAで採用されて、SD9カメラ（現在、2008年は、SD14）に搭載されています。

この素子はCMOSであり、CCDではありません。

本来ならば、CMOS素子の項目で説明すべきものですが、固体撮像素子のカラー撮影という関係でこの位置で説明します。

CMOS素子については、「撮像素子 - - -CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）素子」を参照ください。

Foveon X3 素子は、高精細のデジタル（一眼レフ）カメラ用として開発されたようです。

この素子は、実にユニークです。

一般的な Bayer 方式の単板撮像素子は、2次元状に広がった画素単位の色情報をかき集めて色を構成するので、1画素単位で変わる細かい色情報に関しては色を正確に特定することができず、偽色（color artifact）が発生します。

三層縦構造カラー素子のFoveon X3は、原理上そうした不具合が起きません。

一画素で色が決定されるからです。

Foveon社の開発した素子は、1つの画素から直接色情報を得るので、周辺の画素から色情報をかき集めて処理を行うBayer素子と区別させるために Direct Image Sensorと呼ばせています。

Bayer素子では2画素〜4画素の色情報（空間的には4画素〜9画素の範囲）から色を特定するので、その間で変化してしまう色に対しては手の施しようがなく、光学ローパスフィルタによってその弊害を抑えることになります。

これに対し、3層縦構造のカラー素子ではこと色情報に関してはフィルタを入れる必要がありません。

Foveon X3素子は、光学ローパスフィルタ装着の必要性がないとメーカが主張しているのに対し、識者の間で少しばかりの論議が続いています。

というのは、ナイキストの考えによると固体撮像素子で量子化された情報は、2画素以下の高い信号周波数については偽信号（エイリアシング）が発生することは自明だからです。

おそらく、Foveon X3素子を使ったカメラでは、画像を構築する際に色信号に対してはほぼ問題ないとしても輝度信号に対しては画像処理（ = グラフィックエンジン）によってアンチエイリアシング処理（偽信号を除去すること）を行っているはずです。

偽信号処理を行うにあたり、色情報と輝度情報の2つを考慮しなければならないBayerフォーマットの素子に比べて、Foveon X3では色情報については原理的に補正しなくて良いわけですから補正もやりやすいのだろうと思います。

確かにFoveon X3で撮影されたサンプル画像を見ると、髪の毛の表現や砂地状の地肌がきれいに再現されています。

Foveon X3 素子の構造は、シリコン半導体の波長透過特性を巧みに使っています。

つまり、シリコン半導体の膜厚の深さによって吸収する波長が変わることを利用して、膜厚の薄い表面近辺（0.2um厚）では青色の吸収が多いのでここを青色検知層とし、一番深い所まで届く赤色に関しては、最下層（2um厚）で赤色を検知しています。

一つの半導体の薄膜とサブミクロンオーダの信号取り出し口の生成技術で3つの色を取得しているのです。

この方法は、フィルムのカラー感度層構造と似ていると言われていますが、厳密に言うと違います。

銀塩フィルムの3色感度層は、【光の記録原理 その3 - - - 2次元記録（銀塩フィルム）3原色感度層】で述べているように、各層にはカラーセパレーション用のフィルタが入っています。

これに対して、この撮像素子では R.G.B三色の明確な分離はなく、シリコン半導体の膜厚だけを頼りに3色の色情報を得ています。

		シリコン半導体は、厚さ方向に対して波長の透過性能が変わり、浅い位置で短い波長成分が吸収され、深い部分で長い波長成分を吸収する。この性質を利用して、Foveon X3素子は、受光部の厚さ方向で3波長の色情報を取り出している。
		参考：Richard F. Lyon, Paul M. Hubel, Foveon, Inc. ,"Eyeing the Camera: into the Next Century", 2003		Bayer素子が平面的に色情報を収集するのに対し、Foveonは垂直に色情報を収集する。従って、Foveonは色のにじみがない。

 

2008年5月現在の Foveon X3 素子は、2,268画素ｘ1,512画素（9.12um画素サイズ、20.17mmｘ13.8mm素子サイズ）のものが販売されています。

この素子の窓数は、3.43M（343万個）ですが、Foveon社は、1つの窓にR.G.B.の3種類の信号が取り出せることを根拠に、画素数を窓数の3倍である10.3M画素（相当）であるとしています。

Bayerフォーマットの撮像素子が、光学ローパスフィルタを入れているにもかかわらず物理的な素子の数でカタログをにぎわしていて、画素数が多いのが高性能であるという風潮にしているので、それならば我々の素子は3倍の画素換算にしますよ、と言っている感じを受けます。

客観的に見ると、3板固体撮像素子のような扱いで良いように感じます。

このタイプの素子は、一眼レフデジタルカメラで市販化されてかなりの評価を得ているようです。

しかし、計測カメラ用としてはあまり使われていません。

このFoveon X3のシャッタは、ローリングシャッタという電子シャッタを内蔵しており、インターライントランスファ型CCDのような全画素同時の電子シャッタではないために、計測用としては使いづらいかも知れません。

感度についても格段に優れているようには紹介されていません。

詳しいことはわかりませんが、受光部での量子効率があまりよくないのかもしれません。

想定される理由として、青色検出領域であるシリコンの浅い部分では、他の色成分も検出してしまうので、最終の赤色部分の色情報を得て逆算するような方式になっているそうです。

それが影響しているのかも知れません。

 

 

　

■　QE（Quantum Efficiency、量子効率）　（2003.09.06）（2008.06.08追記）

計測用CCDカタログを見ると、カメラの感度を示す指標としてQE（量子効率）という説明が見受けられます。

QEというのはどういうものなのでしょうか。

この言葉は、おそらく一般のビデオカメラのカタログには登場しない単語だと思います。

この単語は、フォトン（光子）を扱うような微弱光領域でカメラを使用する場合に、カメラの感度性能の一つの目安になるものです。

ですから、この領域に使うカメラの性能表にはよく登場します。

 

QEは、Quantum Efficiencyの略です。Quantumは物理学用語で「量子」を表します。

量子はエネルギの単位であり、エネルギの塊を示すものです。

自然界は連続的な物理量を持っていると思いがちですが、原子レベルでのエネルギー量を見てみると一つ一つの塊となっていることがわかっています。

光子（フォトン）」は、光エネルギーの塊です。

量子は電子の振る舞いから体系づけられた学問で、量子エネルギは原子を取り巻いている電子がその準位を換えることで、放出がおきたり吸収が起きることがわかっています。

電子は原子の回りをある準位で回っていて、その準位は軌道と呼ばれている値をとるため、勝手に運動することはできません。

ちょうど太陽系を回っている惑星が一定の軌道で周回し、任意に距離や周回速度を選ぶことができないのと似ています。

太陽系の惑星の場合は、惑星の質量と太陽の質量の互いの引力によって互いの距離と周回速度が求まります。

原子の場合には、電子の電荷と原子核の電荷によって電気的に位置が決められます。

これはボーア（Niels Henrik David Bohr：1885.10〜1962.11、デンマークの物理学者。1922年ノーベル物理学賞授受) が考えた理論で、電子は原子核の回りを一定の軌道で回り、外部からエネルギを受けると一つ外の軌道に移り、また、エネルギーを放出するときは内側の軌道に移るというものです。

軌道が決まっているので電子が放出するエネルギーは不連続の値、つまり、塊として成立するようになります。

光子の場合には、先にも述べましたように、以下の式になります。

 

E = hν　　・・・（前述）

 

　  E：光のエネルギー（J）

　　h：プランク定数、　6.6260755 x 10^-34 J・s

　　ν：光の周波数 = c/λ

　　c：光速、299792.458 km/s （真空中）

固体撮像素子で述べているQEは、

『光子が1個到来したときに、その光子が1個分の電子または正孔が信号出力に寄与したとき1（100%）と定義する。』

というものです。

すなわち、上で述べた光子1個が固体撮像素子のセルに入射したとき、1個の電荷が発生してそれが信号出力として寄与すれば量子効率100%となるというものです。

実際には、予め出力エネルギのよくわかった単色光を固体撮像素子に照射し、そこから得られる発生電流を測定して量子効率を求めます。

式で表すと以下のようになります。

波長λ［nm］の光が毎秒W［W］のエネルギで固体撮像素子に入射したとすると、その時の光子の数N_p［個］は、

 

N_p = W/E_p = W・λ/h c　　・・・（Rec -10）

 

　　　N_p ：　入射する光子の数

　　　W：　入射する光のエネルギー

　　　E_p：入射する光子1個のエネルギー

　　　λ：　入射する光子の波長

　　　h ：　プランク定数

　　　c：　光速度

 

となります。

電子1個の電荷はe［クーロン］あり、一秒間に流れた電荷量で電流［A = アンペア］が求まるので、量子効率1（100%）での発生電流は、以下の式となります。

 

I_p = e N_p　　・・・（Rec -11）

 

　 　I_p ：　量子効率100%での発生電流（A、アンペア）

　　　e：　電荷（クーロン）

　　　N_p　：入射する光子の数

 

 

この理論的な効率100%での電流値と実際に計測した電流 Ic の比を取ってやれば量子効率が求まります。

 

η =　I_c / I_p = N_c / N_p = 1240 x I_c /(W・λ）　　・・・（Rec -12）

 

　　 η：量子効率　QE

　　　I_c：測定電流

　　　W：入射する光のエネルギ

　　　λ：入射する光の波長

 

上式を元に、量子効率ηを1とした時、入射エネルギWに対する出力電流の比、すなわち感度は以下の式で表されます。

 

S_η=1 = I_c / W = λ / 1240　　・・・（Rec -13）

 

S_η=1 は、分光感度で、単位は、［A/W］で表されます。

値が小さいので、［μA/μW］で表すこともあります。

1240という値は、光と電子を扱う世界では重要な数値です。

発光ダイオードも半導体レーザも、X線発生も電圧と光の波長の関係式にこの値が出てきます。

この数値は、h c/eによって求まる値です。

上式を見ると、感度は波長が長いほど入射エネルギに対する出力電流が高いことになります。

多くの固体撮像素子では、ηを100%、50%、30%、10%についてプロットし、これに実際の素子の感度を重ね合わせて図にまとめ上げています。

　

■　ショットノイズ（shot noise）、フォトンノイズ（photon noise）　　（2006.07.13）（2008.06.08追記）

微弱な光を扱っている時に、無視できなくなる光ノイズを、ショットノイズとか、フォトンノイズと言っています。

ショットノイズは、電子などのノイズを言及するときに使われる言葉で、これに対しフォトンノイズは、光に関するショットノイズを指すときに使われる言葉です。

揺らぎとも言っています。

 

光（フォトン）は、いつも一定の割合で電子と相互関係を持つかと言うとそうはなりません。

100個のフォトンが入ってきても、100個の光電子が発生するとは限らず、時に50個であったり10個であったりします。

これが長い時間で見た場合には平均化されて落ち着くわけですが、短時間でとらえるとかなりのバラツキが生じます。

これが画像としてとらえられると、雪が降っているような、あるいは星が瞬いているように見えます。

ショットノイズは、超高感度カメラを使って、比較的短時間の露光で画像をとらえる時に目立ちます。高感度カメラは、検知する光子数が少ないのでこうした現象が顕著に現れます。

フォトンノイズの考え方は、ちょうど地上に降り注ぐ雨粒になぞらえられます。

シトシトと雨が降っている中に大きさ10cm程度のコップを置きます。

コップに雨水をためるとき、例えば10秒間で雨粒を受けたとすると、おそらく何回測っても、また数カ所で同時に同じ計測をしても量が変わるでしょう。

10秒という短い時間では雨粒が数個であったり数十個であったりします。

しかし、これを1時間程度受けたとすれば、ばらついて降り注ぐ雨粒が平均化されて、数カ所同時に測っても同じような量を計測できます。

 

フォトンというのはこのような雨粒に似たようなものと考えるとわかりが良いかと思います。

ショットノイズは、光子だけでなく熱電子や光電子の振る舞いにも現れます。

ショットノイズは、基本的に入射する光子数の平方根に比例します。

 

S_n ∝ √S　　・・・（Rec -14）

S_n：　ショットノイズ

S：　入射する光子数

　

上の式は、例えば、100個の光子が入射すると10個の光子は絶えず揺らぎとして認められることを示しています。

これは10%に相当します。これが1,000,000個の光子になると揺らぎは1,000個となりノイズの占める割合は0.1%となります。

従って、フォトンノイズを抑えるには、受光に十分な光子を蓄える手だて（時間）の考慮が必要です。

降り注ぐ光子は、雨粒のようにランダムに放射していることを理解する必要があります。

　

■　光子の読み出しノイズ　　（2007.11.18）

光子を検出するには、電子に変換させる必要があります。

すべての計測には誤差やノイズがつきまといますが、光子をフォトマルやフォトダイオード、CCDカメラで計測する場合ノイズ成分は以下の関係式で示されるように各要素から発せられます。

　

N ∝ √（N_r² + N_d² + N_s² ）　　・・・（Rec -15）

N：　総合読み出しノイズ

N_r：　回路素子から発するノイズ

N_d：　受光素子から発する暗電流 = D * T

　　　D：暗電流（electron/pixel/sec）

　　　T：検出時間（sec）

N_s：　光電子によるショットノイズ = √S

　　　　　　S：光電子　= QE x 入射光子数

　

こうした各要素から発せられるノイズを抑えて、希望する光子信号を取り出すことがCCDカメラを含む光電素子製品設計の重要課題となっています。

上の式からわかるように、光電素子のノイズはショットノイズだけは避けて通る事ができないので、許す限りの測定時間を長く取って揺らぎ成分を少なくする事が求められます。

しかし、必要以上に測定時間（露光時間）を長くすると、発光素子から発する暗電流Nd成分が多くなってしまいます。

長時間露光では、このNdを抑えるために光電素子を電子冷却によって暗電流の発生を抑えています。

　

　

■　ビンニング（Binning)　　（2008.05.15)

ビンニングとは、画素を複数個集めて1つの画素とみなす画像の取り込み方式です。

計測用CCD（もしくはCMOS）カメラで良く使われる手法です。

ビデオカメラでは、映像信号が厳しく規定されていて、自由な読み出しができないので使われません。

ただし、上で説明した「フィールド読み出し」では、垂直2画素分を1画素として読み出すので、1x2画素のビンニングと言えなくもありません。

 

計測カメラで使われるビンニングは、2x2、3x3、4x4などが一般的で、2x2=4画素、3x3=9画素、4x4=16画素分を1画素とみなして画像が構成されます。

複数の画素から1画素を構成する場合、受光するバケツ容量が大きくなるのと同じ効果を持つのでたくさんの光を受けることができます。

1画素分が大きい撮像素子を仮想的に作ることができます。

1画素の大きさが大きくなると、感度が良くなるために微弱な光を検出する場合に使われることがあります。

また、この機能では、副次的にノイズ成分も低減します。

反対に、ビンニングを施すと画面を構成する総画素数が少なくなります。

たとえば、640x480画素の撮像素子に2x2のビンニングを施すと、感度は4倍になる反面、構成画素は、320x240画素と少なくなります。

読み出し画素数が少なくなるため相対的に読み出し速度が速くなる（1秒あたりの読み出し枚数が多くなる）メリットもあります。 　

　　

 

計測CCDカメラメーカの先駆 - VIDEK（ばいでっく）社　（2006.09.21）（2007.01.08）（2020.02.20）（2023.12.03追記）

 

CCDカメラを計測用装置として製品化したのは、米国のKodakの子会社Videk社が最初と記憶しています。

Videk社は1987年に右下に示すようなコンパクトなCCDカメラを市販化しました。

1987年当時はCCD素子が8mmビデオに搭載されるようになった時代で、CCD素子がアナログビデオ信号による画像品質（720画素ｘ480画素相当）になんとか追いついた時代でした。

そうした時期に、産業用カメラ分野において1320x1035画素（1.4メガ画素）を持つCCDタイプのデジタルカメラが開発され市販化されたのです。

当時、メガピクセルなどというCCD素子は、とてつもない画素を持った撮像素子でした。

640x480素子のチップを作るのでさえ画素欠陥が多くて歩留まりが悪かったのに、その4.5倍もの画素数を持つチップ製造は大変なものだったろうと想像します。

1880年代当時、天文分野や分光分析分野では撮像素子を液体窒素で冷やした百万画素のCCDカメラは使われ出していましたが、それはとても高価なもので生産数も極端に少ないものでした。（宇宙望遠鏡Hubbleは、この時代にCCD素子を搭載しています。）

従って、高画素CCD素子は産業向けの機器としての市販化などまだ先のことように考えられていたのです。

このカメラの名前は、メガピクセル（100万画素）を凌いだカメラということから「メガプラス（Megaplus）」と呼ばれました。

このカメラはその後、1990年代の計測用分野で固体撮像素子カメラの牽引役を果たしました。

当時、CCD撮像素子はテレビカメラ用として大量生産を始めていました。

従って、映像の読み出しは当然アナログ信号（デジタルではない）であり、NTSC（もしくはPAL）に準拠したものでした。

そのカメラは放送規格に準拠していましたから、1画素の大きさも現在のように計測に便利な正方格子の四角いサイズではなく、4:3の縦長のものが一般的でした。

しかし、Videk社のカメラは1画素が6.8um x 6.8umと正方格子で、しかも、アナログ信号ではなくデジタル信号として取り出せるカメラでした。

明らかに計測目的を意識して開発されたものでした。

バイデック社のメガプラスはとてもコンパクトに仕上がっており、業界で大変な評判を呼びました。

右の写真を見ればわかるようにとてもコンパクトです。（レンズはNikkorレンズです。）

以後、計測分野では、このカメラが数多く採用されました。

しかし残念なことに、このカメラは当時以下の問題点を抱えていました。この時代の電子技術の状況がよくわかる事柄でもあります。

 

 

1.　開発されたカメラは読み出すまでの機能しかなく、画像の取り込みには別途処理装置が必要で、

　　さもなくば画像 取り込みボードを組み込んだパソコンが必要であった。

　　当時のパソコンは、MS-DOS + ISAバスなので、性能はよくなかった。

　　ISAバス規格は、16MB/s＠8bit、8MHzであった。

　　メガピクセル（100万画素）の画像を取り込むのに時間がかかった。

2.　カメラを駆動する電源部が別途必要であり、カメラは複数の電圧源が必要であったので、

　　そのDC電源を作る電源部は専用となり、しかも大型（7kg）であった。

3.　トリガタイミングが任意に取れず、欲しいマイクロ秒単位でのタイミングの画像がとれなかった。

　　カメラ主導でのタイミング撮影は可能であったが、現象優先の撮影は不可能であった。

4.　カメラにはメカニカルシャッタが内蔵され、露出時間はメカニカルシャッタに依存し、

　　最小1/1000秒程度であった。また画像の転送は、メカシャッタを閉じてから行った。

　　理由は、CCD素子がフルフレームトランスファタイプであり、電子シャッタ機能がなかったためである。

5.　従って、取り込みは最大で5コマ／秒程度であった。メカニカルシャッターは都度開閉を行った。

6.　画像の取り込みは、サードパーティの画像ボードメーカに依存した。バイデック社（コダック社）は

　　カメラ単体の販売に終始したので、画像ボードメーカがシステムを構築したり、ユーザがシステムを構築した。 　

こうした問題がありながらも、メガピクセルの映像はとても精緻で、1980年代の終わりに発売されたこのカメラの画像を見たとき、フィルム画像の時代ももうすぐ終わりなのかな、と思いました。

当然このカメラは白黒で、カラーカメラはありませんでした。

当時、コンピュータの性能といえば、OSがMS-DOSであり、メモリも高価で（4MBのRAMを搭載するのがやっとだった）、HDDの容量が小さく（100MB程度が大容量だった）、データ保存は1.4MB容量の3.5インチフロッピーディスクを使うのが主流でした。

1980年代は、データ用CDも、ましてやDVDもありませんでした。

それに、なによりも、メガピクセルクラスの画像を表示させるモニタが普及していませんでした。

真空管技術を用いたブラウン管（CRT = Cathode Ray Tube）が主流で液晶テレビはまだ産声を上げたばかりでした。

当時、テレビと言えばNTSC のビデオ信号の受信（帯域 6MHz）が中心だったので、縦方向525本（横方向480TVライン）もあれば十分でした（「NTSCの画面 」参照）。

そんな時代背景にあっては、メガバイト級の画像を扱うのは並大抵ではありませんでした。

当時の画像はTIFFやBMP、PICTなどの画像ファイルが中心で、GIFなどの圧縮手法による画像フォーマットは産声を上げたばかりでした。

JPEGはメガプラス開発の5年後の1982年に制定されました。

そうした時代に、とてつもないメモリ容量を食う計測カメラが出現したのです。

当時とても高価だったメガピクセル画像撮影装置のシステム図を上に示します。

計測用カメラとして開発されたメガプラスの心臓部のCCDがどのようなものだったのかを紹介します。

 

■　VIDEK社メガプラスカメラのCCD

バイデックに使われたCCDはフルフレームトランスファ型CCD固体撮像素子です。

この素子はCCD素子のもっとも初期のもので、当時CCDと言えばこのタイプのものが主流でした。

1984年に打ち上げられたハッブル天体望遠鏡のカメラもこのタイプで、20年以上経った今でもこのタイプのカメラが使われています。

現在主流となっている電子シャッタ機能をもつCCD（インターライントランスファー型）はずっと後になって登場したものです。

フルフレームトランスファタイプは画像の転送を受光した画素で行うので、一般的になった垂直転送回路がありません。

受光部がそのまま転送部になっていました。

したがって、逆に言うと撮像素子上に受光とは関係ない転送部がないので受光部を大きくすることができ、開口率（Fill Factor）を100%とすることができました。

 

右図がCCDの転送構造図です。上下各1段ずつと左側の各段20画素分が遮光されていて、遮光部画素でダークノイズをカウントしています。

この構造を見る限り、CCDにはかなりのドリフトノイズ（多くは熱ノイズ）が絶えず発生していることがわかります。

都度、暗部ノイズをチェックしないと、まともな映像信号が得られないことを教えています。

 

以下、撮像素子の仕様を示します。

 

・撮像素子：　CCDフルフレームトランスファ型固体撮像素子。

・画素数：　1340（H）x 1037（V）　（1,389,580画素）。

・画素寸法：　6.8um x 6.8um　---　一画素あたりの寸法。正方格子タイプ。

・撮像素子の有効画面：　8.98mmx7.04mm（アスペクト比4:3）

　　　　　　　　　　　　---　2/3型フォーマットに対応。

・デジタル変換：　8ビット（256階調）　---　白黒画像、256階調。

・画素転送クロック：　10MHz　---　画素を画像ボード（コンピュータ）に送る転送クロック。

・画像転送レート：　最大6.9コマ／秒（メカニカルシャッタを使わないストロボ使用時）。

　　　　　　　　　　8ビッドデジタル情報に変換された画素を10MHzのクロックで

　　　　　　　　　　読み出して いくので、理論上の読み出し画像レートは、

　　　　　　　　　　10MHz / 1.38958M = 7.196 コマ／秒

　　　　　　　　　　となる。しかし、画像間の読み出し手順に時間がかかるので、最大6.9コマ／秒となる。

　　　　　　　　　　ストロボを使わずに、CCDの露光時間で行うと露光時間中は転送できないので

　　　　　　　　　　その分、画像転送速度は遅くなる。

　　　　　　　　　　メカニカルシャッタを使う場合もメカニカルシャッタが動作する分だけ遅くなり、

　　　　　　　　　　最大5.1コマ／秒となる。

・カメラ電源：　専用パワーサプライ　---　重量7kgと重い。

　　　　　　　　入力電源：　AC100V、AC120V、AC220V、AC240Vのいずれかをセレクタで設定。

　　　　　　　　　（現在では、自動的にAC90 V 〜AC240Vの商用電源を検知し、希望する直流電源をつくることが可能。

　　　　　　　　　　当時はそれができずセレクターで設定。）

　　　　　　　　入力電源周波数：　47Hz〜63Hz

　　　　　　　　DC出力：  + 8V　デジタル回路用

　　　　　　　　　　　　　+ 18V　検出素子用電源

　　　　　　　　　　　　　- 15V　検出素子用電源

　　　　　　　　　　　　　+ 11.85V　メカニカルシャッタ電源

　　　　　　　　　　　　　- 8V　A/D電源

・データ出力ピン：　D-サブミニチュア37ピン

　　　　　　　　ピン数：　 37ピン

　　　　　　　　デジタルビデオピン　8ピンｘ2

　　　　　　　　デジタルグランド　x2

　　　　　　　　フレームリセット/露光時間　x1

　　　　　　　　モード制御　ｘ3

　　　　　　　　ピクセルクロック　x2

　　　　　　　　ラインデータバリッド　x2

　　　　　　　　フレームデータバリッド　x2

　　　　　　　　露光　x2

　　　　　　　　予備　x7

・カメラ単体の大きさと重さ：76.2(H) x 127(W) x 131.6(D)　　1.59kg

・使用環境条件：　結露なき条件にて　0〜40℃

 

1990年代を通して計測用CCDカメラは普及の一途をたどりましたが、それでもまだ一般のユーザが簡単に使えるという代物ではありませんでした。

デジタルはまだまだ高価であり、これを使いこなすにはユーザのレベルも、そしてまた周辺機器のレベルも成熟していませんでした。

当時、私もなんどかこの種のカメラを扱おうとチャレンジをしましたけれど、親切な画像ボードメーカに巡り会えなかったり、CCDの仕組みがよくわからなかったり、パソコンが十分に使いこなせなかったりと、思うにまかせなかったことを覚えています。

そうした理由で、1990年代は、アナログのビデオ信号出力（NTSC、RS170）を持つアナログカメラの方が当時圧倒的に使いやすく成熟した製品であったことを思い出します。

市販で安価にたくさん出回っているビデオモニタを使えば、アナログビデオ信号による映像信号を画像として見る事ができ直裁的で簡便だったのです。

画質さえ厭わなければそれで十分でした。

真のデジタル時代が来るのは、2000年以降だと思います。

　 　

 

高解像力CCDカメラ（Megaplus）（2000.09.11）（2008.11.28）（2020.02.17）（2023.11.12追記）　

計測用CCDカメラは進化を遂げ、1990年代後半には4,000x4,000画素のカメラが登場しました。

実際に市販された高解像力CCDカメラについて、その性能を調べてみましょう。

ここで例に挙げたのは「メガプラス（Megaplus）」と呼ばれるカメラです。

このカメラは、米国Redlake MASD社のもので、1980年代後半より市場に出している科学用高解像力CCDカメラの総称です。

（1999年まではKodak MASD社。2008年時点で米国Roper社傘下、Redlake→PI部門で製造販売、2013年Megaplusカメラ製造中止）

右のカメラがMegaplus モデル16.8iと呼ばれるものです。

このカメラは4000画素ｘ4000画素の撮像素子を持っていて、1秒間に2枚の画像を得ることができました。（2004年販売を終了しました。）

 

【主な仕様】

 

■　カメラ

・撮像素子：　フルフレーム型CCD（Kodak製）--- 画像転送時にメカニカルシャッターで撮像素子を覆う。

・総ピクセル数：　1680万画素

　　　　　　　　4,143 (H) x 4,126 (V) 画素

・有効ピクセル：　4,096 (H) x 4,096 (V) 画素

・ピクセルフォーマット：　9.0um x 9.0um

・画素エリア：　　36.8mm x 36.8mm  --- ライカサイズ（36 x 24mm）より大きい。

・有効受光面積（開口率、フィルファクター）：　100%

・シャッタ：　レンズシャッタ（カメラではなくレンズに付いているシャッタを使っていた）

・シャッタ同期：　内部または外部同期・階調：　8ビット

 

■　ビデオ特性

・ブラックレベル：　ブラックリファレンスにより補正

・ガンマ：　1.0

・走査方式：　ノンインターレース

・同期：　内部同期

・ダイナミックレンジ：　48dB以上

・ピクセル・クロック速度：　10MHz

・フレーム転送速度：　0.5フレーム/秒

 

■　オプション

・冷却CCD：　水冷式

 

■　寸法及び重量

・寸法：　113.0（H） x 99.1（W） x 256.5（L） mm

・重量：　2.3kg

 

●使用レンズ

上の写真からもわかるように、使用するレンズは一般のレンズではなくローライレンズを使用しています。

ローライレンズは、ラージフォーマットカメラ（ブローニーサイズと呼ばれる大判のフィルムで、プロカメラマンがスタジオ撮影や風景写真、集合写真に使用）のレンズです。

なぜこのような特殊なレンズを使うのかと言うと、CCDのサイズが大きいため（36.8mmx36.8mm、対角線52.04mm）、ニッコールレンズのようなライカサイズ（24mm x 36mm、対角線43.27mm）レンズを使っても全ての画角をとらえきれないからです。

従って、大判カメラのリンホフやハッセルブラッド、ローライ、ペンタックス6x7、マミヤに使われているレンズが必要となるのです。

撮像素子が大きいと、使用するレンズに制約が出たり、顕微鏡や特殊光学系に接続する場合に周辺部のケラレが出る問題が発生します。

 

●フルフレームトランスファー型CCD：

先の項目（CCDの種類）でも述べたように、このカメラのCCDはフルフレームトランスファータイプを使用しています。

画素が多いタイプでは全画面が画素で覆われインターライン方式のように転送部を設けるという構造はありません。

そのため一画素すべてのエリアを受光部にする（開口率100 %）メリットがあり、受光容量が大きく天体観測用の素子としては好都合でした。

この素子では受光した画像を受光画素上で転送するため、転送時には遮光する必要があります。

このカメラではレンズに内蔵されているレンズシャッタを使って、被写体から入射する光を遮る方式を採用しています。

フルフレームトランスファCCDは、画像サイズに碁盤の目のようにビッチリと受光画素が配置されているため（これを開口率 = フィルファクター　100%といいいます）、被写体からの像情報をすべてCCDで取り込むことができます。

インターライン方式ですと、撮像素子上に転送部などが配置されるため、その部分は像の情報が無くなってしまいます。

これは画像情報に影響を及ぼします。

 

●総ピクセル数：

CCD撮像素子を構成する画素（ピクセル）の数を示します。

この画素が多ければ多いほど高解像力の画像が得られます。

反面、画像を取り込むコンピュータには、大容量のメモリを持ち、高画素画像を受け入れる高性能画像ボードと高解像力、高速表示性能が求められます。

 

●ピクセルフォーマット、画像サイズ、有効受光面積：

理化学用にCCDカメラを使用する際、重要になる性能です。

CCDカメラは超小型になっている流れの中で、画像サイズは1/2インチ、1/3インチサイズとなってきました。

理化学分野から見た場合、ピクセル数は多くて、ピクセルフォーマット（1画素あたりの大きさ）が大きい方が光を受ける面積が大きいので微弱光を検知しやすく有利です。

このカメラは9umx9umのピクセルサイズを持っています。

この1画素が4096画素分横一列に並ぶため、画像サイズは、9umの4,096個分、つまり36.86mmとなります。

従って、縦・横4,096個分のピクセル配列ですから画像サイズは36.86mm x 36.86mmとなります。

有効受光面積は、受光セル（画素）が画像サイズ全てにわたって受光できる割合を示すもので、開口率とかフィルファクターと同じ意味です。

このモデルではフルフレームトランスファーですから、画像サイズ全面にビッシリとピクセル配置され受光を遮る転送部などがありません。

画像情報を重視する場合にはフィルファクターが100%のものが要求されます。

 

●シャッタ及びシャッタ同期：

このモデルはフルフレームトランスファー型CCDのため、画像転送は画素の上で行われます。

したがって、画像の転送中は遮光する必要があります。

カメラによってはカメラ内部にメカニカルシャッタが内蔵しているものがありますが、このモデルでは、カメラではなくレンズ自体にシャッタが内蔵されています。

シャッタ同期というのは、ストロボ発光装置と同期させて画像を取り込む機能で、同期信号によって照明用のストロボを発光させ、その後に画像を転送します。

このモデルはシャッタ同期が内部と外部の切り替えができるようで、内部の場合にはカメラからストロボに対して同期信号を出力し、外部同期の場合にはストロボ発光装置から信号をカメラがもらい撮影のプロセスを行います。

 

●階調：

画像を取り込む濃度の巾をさしていて、このカメラの場合8ビット（256階調）の濃度成分を持ちます。

 

●ブラックレベル：

CCDカメラのセルにはいつもノイズによる電荷が貯まっていて、このノイズは情報として不適切なので、8ビットデジタル処理する場合の足切りとして黒の成分の電荷を予め覚え込ませておきます。

こうすることにより、有効な電荷成分を8ビット階調に割り当てることができます。

通常、このブラックレベル補正は、レンズにキャップなどを施して、暗電流やノイズ成分をプロセッサーに覚え込ませる処置を施します。

 

●γ（ガンマ）：

光の入力露光量に対するCCDの受光濃度の傾きを表します。

γ=1というのは露光量と濃度が1:1に対応している事になります。

数式で書くと光の入力χに対してCCDの受光出力yが　y = χ^γ　の関係にある時のγの値を言います。

たいていのCCDカメラのγは1のようです。

このモデルもγは1です。

 

●ノンインターレース：

インターレースは、NTSCなどのビデオ信号に採用されている飛び越し走査方式で、このモデルでは全ての画素を1回の読み出しで行うためノンインターレース方式になっています。

なぜNTSCにインターレースがあるのかは、「高速度カメラQ&A」、「Q01.　普段見ているテレビは1秒間に何枚の絵を出してるの?」を参照下さい。

 

●ピクセルクロック速度：

CCDに蓄えられた画像を画素毎にこのクロック速度で転送します。

このモデルでは10MHzのクロックで1600万画素（16M画素）の画像を取り出しますから1.6秒かかることになります。

これが次に述べるフレーム転送速度の根拠ともなります。

 

●フレーム転送速度：

1秒間に撮影できる枚数を表します。

このモデルでは0.5フレーム/秒で2秒に1枚の映像を得ることができます。

 

●CCD冷却：

オプションで水冷機能を設けることによりCCDの温度が一定になりノイズ成分を低減させたり安定します。

1分以上の長時間露光を行うようなCCDの場合は、電子冷却や液体窒素などを用いた冷却を行うことがあります。 　

　 　 　

 

新型高解像力CCDカメラ（Redlake社 Megaplus ES11000）　（2006.06.24）

2005年に、高解像力CCDカメラとして、右に示すような電子冷却型カメラが製品化されました。

これは、上で述べたMegaplus モデル16.8iの後継機種にあたるものです。

計測分野では、高速性能、短時間露光（電子シャッタ）要求が高いため、フレームトランスファ型CCDでは需要を満たしきれなくなってきました。

その要求に応えて開発されたのが、このタイプのカメラです。

しかも、電子冷却機能を備えて登場しました。

（Megaplusカメラは2013年にシリーズの生産を中止しました。）

このカメラの大きな特徴を以下に示します。

 

・　撮像素子が36mmx24mmと大きい（フルサイズ）。

・　レンズは、ニコンのFマウント用レンズを採用。

・　電子冷却を採用。ダークノイズ低減。長時間露光可能。

・　メカシャッタに代えて電子シャッタ方式のCCD撮像素子を採用。

・　インターライントランスファ方式にもかかわらず

　　12ビット濃度（4096階調）を達成。

・　高画素で高速撮影（〜4コマ／秒）が可能。

　

このカメラは、電子シャッタ機能を持ち、しかも12ビット濃度を持つという大きな特徴を持っています。

従来、高階調撮影ができるカメラは、電子シャッタを持たないフルフレームトランスファ型CCDカメラが一般的でした。

フルフレームトランスファタイプは、構造が簡単で受光部が広く深く取れるからです。

従って、電子シャッタ付きの高精細、高濃度カメラは2005年あたりからの市販化できるようになった技術のたまものであり、大きな撮像素子を均一に冷やす冷却型のCCDで、なおかつ最新のデジタル処理技術がなければできないことでした。

このカメラは、右に示すカメラヘッドとコンソール部で成り立っています。

コンソール部はカメラヘッドを4台まで接続することができます。

コンソールにはこの他、パソコンに接続するためのIEEE1394とCameraLinkコネクタ、電源コネクタ、トリガ入出力用BNCコネクタなどが装備されています。

カメラ操作は、パソコンによってコンソールを介してコマンドを送り、ライブ画像や記録画像をパソコンに取り込むことができます。

操作ソフトウェアは、カメラ専用のものが付属されていてWindowsXP上で動作できるようになっています。

 

主な仕様：

 

■　カメラ

・撮像素子：　インターライン　プログレッシブスキャン型CCD（Kodak製 KAI-11000CM）

・ピクセル数：　10,709,376画素 、4,008 (H) x 2,672 (V) 画素

・ピクセルフォーマット：　9.0um x 9.0um

・画素エリア：　　36mm x 24mm（フィルムカメラのライカサイズと同じ）

・受光容量：　60,000 e^-

・シャッタ：　電子シャッタ

・冷却：　電子冷却（室温より -5度の設定。ファン付きのものは室温より -15度）

・階調：　12ビット、66dB

・読み出しノイズ：　30 e^-

・カメラレンズマウント：　ニコンFマウント

 

■　撮影操作

 

・カメラ操作及び画像読み出し：　CameraLink　もしくは　IEEE1394a

・撮影速度：　最大4.63コマ／秒（CameraLinkにて30MHzでの読み出し時）

　　　　　　　3コマ／秒（IEEE1394、白黒画像時）

・電子シャッタ露出設定時間：　192 us 〜 60秒（1us設定）（連続取り込み時）

　　　　　　　19 us 〜 60秒（1us設定）（トリガーモード取り込み時）

・ゲイン調整：　0〜36dB

・ビンニング：　2x2、3x3、4x4

・ピクセル・クロック速度：　10MHz ・フレーム転送速度：　0.5フレーム/秒

 

■　寸法及び重量

 

・寸法：　123.8（W） x 98.4（H） x 91（L） mm

・重量：　0.92kg 　

 

■　カメラ電源部（コンソール）

 

・接続カメラ台数：　4台（メガプラスIIカメラシリーズがすべて使用可能）

・カメラ-電源部ケーブル：　2m、5m、7m ・操作：　汎用パソコン（WindowsXP）にて

　　　　　　　　　　　　　IEEE1394もしくはCameraLink接続（操作ソフトウェア付）

　　　　　　　　　　　　　カメラ認識、撮影速度、露出時間、ゲイン、ビンニング、ライブ画像モニタ、

　　　　　　　　　　　　　画像転送 ・その他通信：　Serialポート（オプション）、

　　　　　　　　　　　　　100Baseイーサネット（カメラファームウェアアップデート用）

・トリガ入力：　デジタル信号（TTL、CMOS）による立ち上がり、もしくは立ち下がり信号。

　　　　　　　　信号入力で決められた露出時間で画像取得。

・トリガ入力信号コネクタ：　BNCコネクタ ・ストロボ出力：　デジタル信号にて露出時間分だけ出力。

・ストロボ出力コネクタ：　BNCコネクタ

・消費電力：15W/台（付属のACアダプタを用いてAC100Vから電源を供給）

・寸法：　157（W） x 50.8（H） x 157（D） mm

・重量：　1.14kg

高速度カメラ用CCD素子（Kodak 16ch読み出し素子）　（2000.10.01）

特殊なCCD素子について説明します。

高速度カメラ用に、1990年代後半に開発されたCCD素子です。

一般のCCDカメラは、1秒間に30コマ／秒の撮影を行います。

しかしながら、高速度カメラは1秒間に1,000コマ／秒程度の撮影を行います。

通常のCCDカメラの撮像原理は、上で述べた通りです。

750素子（水平）x 525素子（垂直）のCCD素子が、1秒間に30フレームで送る画素は、

　

750 x 525 x 30 = 11,812,500 画素/秒　　・・・（Rec -16） 　

 

となります。

これが1秒間に1,000コマ／秒の撮影速度となると、転送速度は、393.8M画素/秒となります。

400Mバイト/s（3.2Gビット/秒）の高速読み出しは、単純に考えると不可能な値でした。

CCDの転送は100ns（1000万分の1秒）が限界と言われていますから、それよりも40倍も速く送らなくてはなりません。

そこで、Kodak社は素子を分割して並列に読み出す方式を考え出しました。

この考えは、1982年にKodakがMOS素子で実現して特許を取った方式です。

右の模式図が、Kodak HRという高速度カメラ（1996年、Kodak R0、1999年、Redlake MASD HGモデル2000、Redlake MASD CRモデル2000という高速度カメラに採用、2003年製造中止）に採用されたインターライントランスファー型CCD撮像素子です。

上下2分割、さらに水平に8分割で計16チャンネルの読み出し口を持っています。

1ch（チャンネル）あたりのCCD素子は64x192画素になります。

これで1,000コマ／秒の撮影を行いますから、

　

64^画素 x 192^画素 x 1,000^コマ/秒 = 12,288,000 ^{画素/秒/1ch}　　・・・（Rec -17）

 

となります。 CCD素子の限界である10Mバイト/秒（10MHzクロック転送）の性能に挑戦した撮像素子ということができます。

この撮像素子は、高速読み出しという機能の他に、

 

・　電子シャッタ機能（最小23マイクロ秒設定）（一斉同一時間シャッター = グローバルシャッター）

・　Bayerフォーマットカラーマトリクスフィルタによるカラー撮影

・　VOD（Vertical Overflow Drain）構造による1:100以上のアンチブルーミング機能

・　16umx16um画素

・　2/3インチサイズ素子（8.192mm x 6.144mm）

 

という特徴を持っていました。

この素子は、1994年から2003年までのカラー高速度カメラに採用されて活躍しました。

2002年あたりから、CMOS素子で高画素で高速撮影できる素子が開発されたので、この素子は製造を中止しました。

従って、この素子がCCDタイプでは最も高速に転送できた素子となりました。

 

以後、高速度カメラはCMOSの時代を迎えました。

CMOS素子になっても高画素、高速読み出しタイプのものは複数の出力ポートから並列に読み出して読み出し時間の短縮を図っています。

計測用CCD素子（Kodak KAF素子）（2000.10.01）

通常のCCD固体撮像素子とは趣を異にした理科学用の計測CCD素子も作られています。

平成12年（2000年）9月22日の科学新聞に、トピックスとして米国Kodak社が各種高性能センサーを発売しているという記事が載っていましたので紹介しておきます。

これらセンサーは、人工衛星、交通管制システム、デジタルカメラ、スキャナーなどに使用されています。

固体撮像素子は、急速に進歩していて1年でたくさんの新しい素子が発表されます。

これらの素子は現在も販売がなされているかは保証の限りでは有りません。

技術仕様の参考までに掲載するものです。

CCD素子は、右の写真のようにむかでのような足のついた電子素子形状で平板に受光部が設けられています。

この部分でレンズを通して結ばれた光学像が光の強さに応じて電荷を発生します。

その電荷をむかでの足を通して電子回路に送り、画像が形成されます。

　　

・KAF-16801CE：　1680万画素の大型CCDセンサー

　　　　画素サイズ9um、パッケージは34ピンセラミクス。

　　　　スタジオデジタルカメラ向けに開発。

・KAF-5100CE：　510万画素

　　　　画素サイズ6.8um、4/3インチイメージフォーマットサイズ、

　　　　パッケージは26ピンセラミクス。2,614x1,966画素。

・KAI-1020：　100万画素、インターライン型CCD

　　　　プログレッシブ型インターライントランスファー型CCD、電子シャッタ。

　　　　デジタルカメラ向けに開発。

 

　 また、コダック社では以下に述べるMOS素子についても初の開発を行い、以下の素子を販売すると発表していました。（2000.10）

　

・KAC-0310VGA：　VGA対応のグローバル電子シャッタ内蔵MOSセンサー

　　　　画素サイズ7.8um、ピンフォトダイオード、640x480画素、コダック社特許

　　　　のグローバルシャッタ機能（全てのピクセルを同時に露光することが可能な機能、

　　　　MOSタイプではこれが難しかった）、電源は3.3V。

・KAC-1310メガピクセルカメラ：　100万画素、MOSセンサー

　　　　画素サイズ6um、ピンフォトダイオード、1,280 x 1,024画素、1/2インチセンサー

　　　　8ビット/10ビット出力選択、プログレッシブ/インターレース選択 　

 

2007年3月時点で、コダック社が供給するCMOSセンサーは以下の通りです。

　

・KAC-9618： 　VGA（648ｘ488画素）、7.5umx7.5um、1/3"型、30コマ／秒

・KAC-9619： 　VGA（648ｘ488画素）、7.5umx7.5um、1/3"型、30コマ／秒

・KAC-9628： 　VGA（648ｘ488画素）、7.5umx7.5um、1/3"型、30コマ／秒

・KAC-00400： 　WVGA（768ｘ488画素）、6.7umx6.7um、1/3"型、60コマ／秒

・KAC-01301： 　1.3MP（1284ｘ1028画素）、2.7umx2.7um、1/4"型、15コマ／秒

・KAC-05010： 　5.0MP（2592ｘ1944画素）、2.2umx2.2um、1/2.5"型、5コマ／秒

・KAC-3100： 　3.1MP（2048ｘ1536画素）、2.7umx2.7um、1/2.7"型、10コマ／秒

・KAC-5000： 　5.0MP（2892ｘ1944画素）、2.7umx2.7um、1/1.8"型、6コマ／秒

 

 

Kodak社のイメージセンサーは、それを製造しているRochesterの事業所を2011年にTruesense Imaging社（Rochester, New York）に譲渡し、2014年4月にはそれをOn Semiconductor社（Phenix, Arizona）に譲渡しました。（2020.02.20追記）

　 　

 

高感度CCD素子　-　EMCCD　　（2008.12.17記）（2009.02.03追記）

 

EMCCD（Electron Multiplying CCD）と呼ばれる固体撮像素子は、CCDの仲間に入り、非常に感度の高い撮像素子です。

電子増幅CCDと呼んでいます。

このCCDは、素子内部にある電子増幅を受け持つ回路によって、約1,000倍の感度をもつものです。

この素子は、2002年に、米国テキサスインスツルメンツ（TI）社と英国E2V社で同時に開発され、TI社の製品はImpactron（インパクトロン） CCD、E2V社の製品は、L3Vision CCDという商品名でそれぞれ販売されました。

このCCDは、感度が非常に良いので、イメージインテンシファイアと組み合わせたCCDカメラと比較されることが多く、フォトンカウンティングの領域で使われています。 EMCCDの構造を見てみると（右図参照）、撮像部は、フレームトランスファCCDと同じ構造になっていて、それに加えて、読み出し部に電子的な増幅部があることがわかります。

この電子増幅部に、50V程度の高い電圧が加わり、一種のアバランシェ効果（電子なだれ）を起こして画像信号を増幅していきます。

構造からわかるように、CCDがフレームトランスファ式なので、高速度撮影には向かず、電子シャッタも高速で行うことができません。

受光部から蓄積部に移す時間が最小露光時間となります。

例えば、縦列に512画素のCCDが並び、これを1.5us/画素で転送する場合、

　

1.5E-6 ^us/画素 x 512 ^画素 = 768 ^us



768 usの転送がかかります。この間に、受光部に光が入り続けますから、スミアの問題も出てきます。

また、電子増幅部でも同様のクロック時間でピクセル転送を行うとすると、512x512画素の画像では、 　

1.5E-6 ^us/画素 x 512x512 ^画素 = 0.393 ^秒

 

の取り込み時間がかかります。0.393秒は、2.54フレーム/秒に相当します。

こうしたことから、EMCCD素子は、（100us以下の）短時間露光が必要な応用や、高速度撮影はあまり得意でないことがわかります。

イメージインテンシファイア（I.I.）と比較した場合、I.I.の場合は、撮像管（真空管）であるために、過度な光に対してダメージが大きいことや、ノイズが多い、振動に対して弱い、寿命が短い、カメラと組み合わせて使うので画質が落ちる、という欠点を持ち、この点においては、EMCCDが有利となります。

しかしながらEMCCDは、マイクロ秒以下の電子シャッタを持ち得ないために、高速現象への応用が利かないというデメリットを持ち合わせています。

　

	EMCCD を使った代表的なカメラ 　　　- ProEM（米国Princeton Instruments社） 【仕様】 ・撮像素子：　背面照射型EMCCD ・画素数：　1024 x 1024画素 ・画素サイズ：　13um x 13um ・素子サイズ：　13.3mm x 13.3mm ・画素濃度：　16ビット ・量子効率：　90％以上 ・電子冷却：　-65℃ ・メカニカルシャッタ：　φ25mm口径 内蔵 ・電子増幅：　二段増幅 ・画素読み出し：　10Hz 〜 5MHz		・読み出しノイズ：　25e- @5MHz 　　　　　　　　　　50e- @10MHz ・受光容量：　730,000 e- ・EM増幅：　1 〜 1,000X（設定可能） ・転送レート：　蓄積部への転送 　　　　　　　　0.6us 〜 5us（可変） ・取り出しレート：　10MHz、5MHz 　　　　　　　　　　1MHz、100kHz ・取り込み速度：　8.5コマ/秒 　　　　　　　　　@1024x1024画素 ・レンズマウント：　Cマウント

上に示したカメラは、2008年に発売された米国Princeton Instruments社のProEMという高感度カメラです。

素子に背面照射型のEMCCDを使っていて、-65℃で素子を冷やしています。

-65℃の低温なので、素子に霜がついたり結露することを防ぐために、素子は真空パックされています。

冷却効果を高めるため、外部より空気や純水などを送り込んで、電子冷却で発熱した部位を強制冷却する機構も設けられています。

素子は、1024x1024画素で16ビット（65,000階調）の濃度を持ちます。

CCDは、一定時間露光したあと、1024画素ある縦列を0.6us〜5us/画素かけて蓄積部に入れます。

この間（614us 〜 5,120us）は、光にさらされるためスミアの危険があります。

蓄積部に入った画素情報は、電子増幅を行いながら、100kHz〜10MHzのレートで読み出されます。

取り出しレートが低いと、ノイズが入らず高画質が維持されます。

10MHzの取り出しレートでは、1024x1024画素を0.105秒で取り出すことができます。

撮影速度は、この取り出し時間に、最小露出時間とCCDの蓄積部への転送時間を加えなければならないので、撮影速度は、8.5コマ/秒（0.118秒/枚）となります。

メカニカルシャッタは、転送時のスミア防止機能と暗部（ダークカレント）補正用、それに使用しないときのホコリ防止に使うもので、キャッピングシャッタの働きをします。 　 　

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▲　撮像素子 - - -CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）素子　（2000.09.24）（2008.10.25追記）

 

MOSタイプの撮像素子は、固体撮像素子開発の歴史では、CCDよりも早くから着想され開発が進められました。

しかしながら、思うような画質が得られず、1990年代中頃まではCCD固体撮像素子に大きく水をあけられていました。

 

MOSタイプの撮像素子は、CCDと違い構造が比較的シンプルです。

電源も転送でバケツリレーをしないため多種類の電源がいりません。

画素の転送は、XとYのそれぞれをアドレス（指定）して交差した画素の電荷を取り出す方式です。

この方式は、高速読み出しを行いやすい特徴を持ちます。

1990年に登場した固体撮像素子を使った高速度カメラには、MOS素子が使用されていました（Kodak HS4540、ナックHSV-1000、フォトロンFastcam）。

2000年を越えてからは、高画素（1280x1024画素、500コマ/秒）でグローバルシャッタ（全画素一斉に電子シャッタが働く機構）を持つCMOS素子が市販化されるようになったので、多くのカメラメーカが高速度カメラを作るようになりました。

高速度カメラは、現在（2002年〜2008年、およびそれ以降）、CCD素子を使ったものはほとんど見かけません。

CCDでは、電荷をバケツリレーで送る構造上、高速で転送できないという問題があったからです。

反面、初代（1990年代初め）のMOS型素子には、トランジスタによるスイッチングノイズが画像に影響を与えたり、画素はXYアドレスが指定されるまで電荷を蓄え続けるためシャッタ機能が設けられないという欠点も併せもっていました。

 

CCDは、高速度カメラに向かないと言いましたが、CCDの特殊な素子であるISIS（近畿大学江藤剛治先生開発）では100枚の画像記録をCCDの転送部に持たせ100万コマ/秒の撮影を達成しています。

　

 

■　MOSと呼ばれる半導体

CMOSと呼ばれる固体撮像素子は、MOS型固体撮像素子に区分されます。 MOS素子そのものは、1968年に米国RCA（Radio Corporation of America）社が開発したロジックIC（4000シリーズ）で有名になるトランジスタです。

MOSは、カメラのために開発された電子素子ではありません。トランジスタ構造の1種類です。

トランジスタの1種類として1950年代から研究が続けられていました。

MOSは、米国ベル電話機研究所を中心に米国RCA社、同Faichild社が熱心に研究を始めていました。

1960年代後半、トランジスタがアナログからデジタルへ移行していた時に、RCA社がデジタル素子としてMOS構造の半導体を採用しシリーズ化（4000シリーズ）しました。

 

当時、デジタル素子は米国テキサスインスツルメンツ社が開発したTTL（Transistor Transistor Logic、1964年）がありました。

1990年代までデジタル素子で高速のものはTTLが優れていたので、計測用のデジタル電子機器はTTL素子を使ったものが主流でした。

TTLは、バイポーラトランジスタ（初期のトランジスタ、NPN、PNP半導体を直線的に配置した構造）を用いたトランジスタロジックで、電流の流れで信号を扱っていました。

 

反対に、MOSはMOSFET（MOS Field Effect Transistor）という言い方で一般的なように、電界効果型トランジスタであり、電圧によりトランジスタを働かせるものです。

従って、MOSは、電流を消費しないという特徴を持っていました。

MOSは、構造上、ｎタイプのものとpタイプのもの、および両者を組み合わせた相補的なCタイプのものがあります。

歴史的にみてCタイプのものが最後に開発されて前者の良いところを取り込んだので、MOSと言えばCMOSを指すようになりました。

pMOSは初期のバージョンであり、安定していて消費電力が少ない反面、速度が上がりませんでした。

nMOSは速度向上に向いていました。

CMOSは、それら両者の良いところを取り入れて発展しました。

現在のCPUやRAMメモリなどコンピュータ回路には、ほとんどすべてCMOS素子が使われています。

このように半導体技術の歴史を見てみますと、MOS固体撮像素子は、MOS技術を導入して作られた固体撮像素子であったことがわかります。

従って、撮像素子の開発においても通常のMOS開発と同様の流れがありました。

つまり、nMOSタイプがMOS型撮像素子として1980年代に世に出ました。

CMOSタイプは1990年後半からです。

2000年以降、MOS型撮像素子はほとんどCMOSタイプになりました。

 

面白い事に、CCDはMOS半導体技術で作られています。

CCDカメラを実用化したソニーの越智氏はMOS技術者で、当時のソニーは、バイポーラトランジスタの技術が主流であり、MOS技術は亜流だったそうです。

1960年代後半に販売された卓上電子計算機SOBAX（ = Solid State Abacus）は、MOS技術で作られていました。

しかし、卓上電子計算機はライバルのSharpとカシオの追い上げで苦しい展開を強いられ、1970年代始めにプロジェクトを終了させました。

越智氏は、そうしたMOS技術の中に身を置いて、その技術が活かせるCCD固体撮像素子の開発に取り組んだことになります。

CCD固体撮像素子は転送方式の名前から命名され、（C）MOS固体撮像素子は回路そのものの電子技術から名前が付けられたことになります。

　

 

【CMOSカメラの開発】 MOS（正確には相補型MOS、CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor）

 

固体撮像素子は、CCD撮像素子と同じ時期、正確にはCCDより3年早い1967年に、米国フェアチャイルド社（半導体メーカの草分的存在の会社。CPUで有名なインテルは1968年にFairchildからの社員3名で作られた）のWeckler氏によって発表されました。

 

MOS型撮像素子の簡単な原理は、光をフォトダイオードで受けてそれをトランジスタのスイッチによって取り出すというものです。

フォトダイオードをアレイ状に並べたものでした。

CCDが電荷の転送形態を発想の主眼において半導体メモリとして使おうと考えていたのとは好対照で、CMOS撮像素子は最初から映像デバイスとして開発されました。

従って、画像を取り出す考え方はとても素直です。

 

1970年から1980年代は、固体撮像素子の興隆期で、MOS型、CCD型あるいは、この二つを組み合わせたMOS-CCD型が競い合っていました。

1990年代はS/N比に劣るMOS型はトランジスタのスイッチングノイズとフォトダイオードの感度のバラツキが主な原因で、性能面でCCD素子に水を開けられました。

しかし、1990年代の終わりになって再びMOS型素子を見直す機運が現れました。

MOS型素子の特徴は、製造工程が簡単なことと消費電力が少ないこと、それに自由な読み出しパターンが得られることです。

特に消費電力が小さいことは、昨今のデジカメの台頭やバッテリ駆動のムービーカメラでは大きな魅力になって再び脚光を浴びるようになりました。

 

CMOSイメージセンサーが見直される直接的な契機は、1994年、米国NASAのジェット推進研究所（JPL：Jet Propulsion Laboratory）のEric R. Fossum（1957.10.17〜）氏の研究に始まります。

エリック・フォッサム氏は、JPL退社後、1995年にフォトビット社を設立し、2001年Micron Imaging → 2005年Siimpel社（前SiWAVE社、後Tessara社）、および南カルフォルニア大学助教授を勤められ、2010年からはThayer school of Engineering at Dartmouthに就任されています。

彼は、CMOS素子に増幅器を内蔵させたCMOS APS（CMOS Active Pixel Sensor）撮像素子を開発しました。

これがCCDに匹敵する画質を持っていたため、MOS型素子の長所をアピールすることができるようになり、AT&T、Kodakなどへ協力を呼びかけて活性化を図り、今日のCMOS撮像素子の発展につながって行きました。

 

NASAでは、宇宙計画の一環としてコンパクトなカメラ素子開発を望んでいて、シリコン基板上にセンサー、アンプ、ドライブ回路、補正回路をすべて実装でき、しかも単一電源で駆動するCMOSカメラの開発に熱心であったという背景があります。

 

この開発が、携帯電話や監視カメラなどの「目」として急成長を促していくことになりました。

2000年からは、電子シャッタ機能を持つMOS型固体撮像素子もできました。

2004年あたりからは、デジタル一眼レフカメラにも採用されるようになりました。

 

また、CMOSセンサーはカメラの眼としてではなくコンピュータに使われる光学マウスのセンサーとして利用されています。

オプティカルマウスは、この光学素子のおかげで飛躍的に業績を伸ばしてきました。

このセンサーは、以下の特徴を持っています。

 

・センサーとして、16x16画素（256画素）のCMOS素子を採用。

・濃淡像は、64階調（6ビット）階調。

・取り込み速度は、2300コマ/秒、256画素、64階調の2次元画像パターンを処理。

・X,Y方向の移動パターンを10種類の速度データとして2300Hzで出力。

・DIP（Dual In Package）で電源回路及び取り出し、回路と一緒に22mmx10mm程度のICチップに収納

・解像度は800cpi（count per inch）、0.032mm（ = 32μm ） 。

 

このセンサーを開発したのは、米国 Agilent Technologies Inc.という会社で、ADNS-2051という素子を一般向けに販売しています。

 

　 　 　

 

【CMOSカメラの特徴】

2000年以降、CMOS撮像素子が復権してきました。

2020年にあってはカメラの撮像素子と言えばCMOSとなりましたけれど、1980年代から2000年まではCCDが主流でした。

CMOS素子が撮像素子の代表になった理由を以下に述べます。

　

1.　画質の向上

新世代（1990年代後半）のCMOS固体撮像素子は各画素に増幅素子（APS 機能）を備えています。

MOS製造技術がCCD素子並に発達して1画素 4〜7um相当の素子が作られるようになり、微細加工技術によってフォトダイオード、増幅トランジスタ、リセット用スイッチ、行選択スイッチを配列する事が可能になりました。

この考えはMOS型撮像素子が考案された当初からあったアイデアではあったものの、当時の加工技術では不可能でした。

各画素に増幅トランジスタを配置できることによって、受光した微弱な電荷を直ちに増幅できるようになり、その後に加わるノイズに比べて信号成分を高くすることができるようになったため、S/Nのよい高画質な映像を得られるようになりました。

 

2.　固定パターンノイズを抑える技術の確立

固定パターンノイズ（FPN：Fixed Pattern Noise）を抑圧する回路をMOS素子上に実装できるようになり、各画素に設けられた増幅トランジスタの特性のバラツキを抑えることができるようになりました。

 

3.　CMOS技術で素子を構築できるため小型コンパクト

素子をCMOS製造技術ですべてまかなえるため、構造がシンプルでコンパクトにまとめることができます。

電源も単一電源（例3.3V）だけで駆動できることから電源部もシンプルにできます。

実際には素子にはいくつかのバイアス電圧が必要ですが、素子にバイアス発生回路を内蔵させることができるので、外部からは単一電源とマスタークロックを与えてやれば良いというシンプルなものになります。

言い換えればCMOSセンサーは1チップで駆動に関する電子回路を全てを内蔵しています。

CCD素子はCMOS素子と違い、構造上1チップにまとめることができません。

 

4.　低消費電力

これがCMOSの大きな特徴です。

CMOS撮像素子は、読み出す画素のX-YアドレスのトランジスタスイッチのみをONし、後は休止していても問題ない構造となっています。

反対に、CCD素子では常時垂直、水平転送部に転送のための駆動パルス（それも5V、12V、-8Vなどの複数の電圧）を印加させなくてはならないので、電気を常時消費します。

CMOS素子の場合、VGAクラス（640ｘ480画素）のモジュールで消費する電力は200mWで、同じクラスのCCDに比べて1/5と言われています。

この利点を活かして、携帯電話、モバイルPC、小型を必要とするカメラの応用市場で急速に需要を伸ばしています。

おもしろいことに、高級デジタル一眼レフカメラ分野でもCMOS撮像素子を採用するケースが増えています。（この記述は1998年のもの。2020年は全てCMOS素子。）（2020.02.19追記）

 

5.　X-Yアドレッシングの魅力

CCDが一括転送という機能を主眼に開発されたのに対し、CMOSは特定の画素を指示して読み出すことができるX-Yアドレッシング方式です。

この特徴を巧みに利用すればおもしろい応用が広がります。

高画素の素子は全ての画素を読み出すのに時間がかかるので、撮影速度が遅くなる欠点がありますが、X-Yアドレッシングの機能を使えば、興味ある範囲だけを読み出したり、間引きをして読み出すことで高速モニタリングでき、構図を決めたりピント合わせなどを迅速に行うメリットが出てきます。 高速読み出しというのも大きな魅力です。

2004年には、1504 x 1128画素、1,000コマ／秒で読み出せるCMOS素子が開発されました。

 

6.　安価

CMOSセンサーは、既存の半導体技術で比較的簡単に製造できるため、価格が安くできるというメリットがあります。

価格が安いと言うことはパーソナルユースの電子機器に組み込まれる潜在能力を持っています。

今や携帯電話にCMOSセンサーを搭載したモデルが常識になっています。

こうした画像機能を付加した電子機器が価格が安価になれば、爆発的に伸びる可能性があります。

コンピュータに使われる光学マウスにもCMOSセンサーを搭載したモデルが多く出回るようになりました。

2000年ベースでのCCDの世界規模の売り上げは18億ドル（2000億円）と言われ、方やCMOSは6億3200万ドル（758億円）でした。

当時、世界市場の75%がCCDの市場でしたが、2004年にはCMOSが追い抜き、その売り上げ規模は22億8000万ドル（2,736億円）となりました。

CCDは、特殊な応用（医用、天体観測、物理学分野、放送局分野）分野での使用に限られて来ています。

　

 

▲　CMOS素子とCCD素子　（2001.09.24）（2008.12.27）（2018.11.20）（2019.05.01追記）

 

固体撮像素子の代名詞である両者のどちらが良いかを、簡単に述べるのは難しいことです。

歴史的にはMOS型撮像素子がCCDに先んじて開発されましたが、1980年と1990年は圧倒的にCCDの時代でした。

2000年になってCMOSの持つ欠点が克服されて長所が見直され、徐々に固体撮像素子の市場に浸透し、2010年以降はCMOSが80%以上のシェアを占めるようになっています。

計測用CCD素子は、2001年の春、Kodak社とMotorola社の共同開発によってメガピクセルサイズのKAC1310というカラーCMOSデジタルセンサー（1/2インチフォーマットサイズ、1280 x 1024画素）と、KAC0310と呼ばれるVGAタイプ（1/3インチ、640 x 480画素）のセンサーが発売されました。

KodakのCCD事業部は2012年2月にTruesense Imageing社に引き継がれ、これが2014年4月にON Seminconductor社（1999年Motorola社より分離独立した会社、米国アリゾナ州Phoenix）に統合されました。

CCDとCMOS両者の2000年時点での市場占有率は、CCD75%、CMOS25%と言われていました。

これが2004年には逆転し、2007年にはCCDの市場は30%になるだろうと予測されていました。

（2006年1月の時点では、CMOSカメラが大分追い上げてきてはいますが、まだ逆転はしていません。

ただし携帯電話用のデジタルカメラは2004年にCCDチップを追い越して、2007年でのCMOS素子はCCDの6倍になっています。

反面、デジタルカメラは2007年時点でCCDの1/10程度となっています。

高級デジタル一眼レフカメラでは、2008年時点でCMOSセンサーが大勢を占めるようになりました。）

 

2002年、キヤノンが35mmフィルムサイズ（ライカサイズ）のCMOS撮像素子を開発し、EOS-1Dsに搭載しました。

CMOSはCCDに比べてノイズが多く画質が悪い、と言われていた定説に真っ向から果敢にチャレンジし、製品化に漕ぎ着けました。

有効画素1,670万画素（4,992画素x3,328画素）に及ぶライカサイズの大型撮像素子開発に、なぜCMOSを選んだかと言うと、

・ 一つには、電気を食わない素子であったこと、

・ 次に、CCDに比べて製造が楽なために大形化しやすかったこと。

・ そして、たくさんの画素を速く読み出す必要から高速化のできるCMOS素子が適当であったこと

があげられます。

キヤノンは、この素子を8chの並列読み出しとして、4コマ/秒の撮影を達成しました。

大きな撮像素子はCCDでは製造が難しかったり、消費電力が大きかったりとCMOSに舵を切らざるを得なかった見方も成り立ちます。

しかしながら、画質はCCD に比べるとまだ不十分で、2005年レベルでカラーリバーサルフィルムのラチチュードに追い付いた程度、と言われていました。

 

■　フィルムカメラを撤退させたデジタルカメラ 2006年1月13日に、大きなニュースがありました。

名門ニコンが一眼レフフィルムカメラから撤退するというニュースでした。

ニコンの高級一眼レフフィルムカメラの販売台数は、最も販売した2000年の104万台をピークに下降線をたどり、2005年は14万台と1/7強まで落ちてしまったそうです。

その代わりにデジタル一眼レフカメラの販売が好調で品薄状態が続いていたそうです。

ニコンが採用している固体撮像素子は、イメージサイズ23.7mm x 15.7mmとフルサイズ（ライカサイズ）ではありません。

画素の少ないモデルにはCCD素子が使われ、ニコンD2xの4,288x2,848画素（12.4Mピクセル）にはCMOSが採用されました。

 

この事実は、画質優先というよりはバッテリの消費電力と読み取り速度、製造上の利点だと考えます。

【CCDとCMOS撮像素子の一般的な比較】

CCD素子とCMOS素子は、今後どのような関係を保ってイメージング産業を支えていくのでしょう？

こうした技術は、日進月歩進歩するので現時点（2008年）で断定するのは無謀かと思いますが、おおよその傾向を述べておきたいと思います。

2018年では天文学、医学分野、放送機器以外を除きほとんどがCMOS素子となっています。（2018.11.19）

 

■　感度

撮像素子の感度は、セルの大きさ、ノイズの量、増幅度、カラーフィルタの形式によって決まります。 基本的にノイズ成分の多いCMOSセンサーのほうが信号成分が少なく、開口率も小さいため感度はCCDの方が高いようです。

リッチな画像情報（階調、高S/N）を得たい場合CCDカメラのほうが現時点（2008年）で有利です。

16ビット濃度（65,000階調）を持つCCDカメラは市販されていますが、16ビット出力のCMOSカメラは2008年時点ではなく、2018年では12 bit階調のCMOS素子が市販化されています。

　

	CCD CMOS 感度 ◎ ▲ 画質 ◎ ▲ 画素数 ○ ◎ 消費電力 × ◎ コンパクト × ◎ 電子シャッタ ○ ▲ ブルーミング × ◎ 将来性 ▲ ○ 応用 天体観測 医用分野 放送局分野 携帯電話 デジカメ 高速度カメラ マウスセンサ
	CCD撮像素子とCMOS撮像素子の相対比較（2008年時点） この表は、相対的な比較であり、絶対的な意味を持つものではありません。

■　画質

画像の質感は、受光容量が大きくてS/Nの良いCCDの方が基本的には良好です。

反面、24mm x 36mm（フルサイズ、ライカサイズ）のような大型撮像素子を使った高級デジタル一眼レフカメラにはCMOSが主流になっています。

この事実から、CMOSは画質が良い、と判断しがちですが、生画像は理論的にはCCDの方が優れていると思います。

高級デジタル一眼レフカメラには「グラフィックエンジン」という画像処理機能が設けられていてここでかなりの画像修正を行っているようです。

また、それだけ大きな素子でかつ高画素となりますと、CCDでは消費電力が大きくなり製造コストもかかることからCMOSに開発のリソースを集中させたと考えるべきでしょう。

天体観測機器では十分な冷却装置で素子の温度管理を行えるため、2019年時点でもCCD素子が使われています。（2019.05.01追記）

　

■　画素数

CCDの方が歴史が長い分、高画素の素子が製造されています。

CCDでは4,000x4,000画素のものが2000年の時点から販売されています。

CMOSは製造プロセスが簡単でDRAMの製造プロセスで製造できるため、近年高画素化が進み、1,280x1,024画素から4,992x3,328画素まで製造されるようになっています。

製造の観点から言うとCMOSの方が製造工程がCCDに比べてシンプルであるため、2018年に至るまでCMOS素子の小型高画素化に拍車がかかっています。

　

■　消費電力

CMOSセンサーは同等のCCDセンサーに比べて1/5〜1/10の消費電力と言われています。

バッテリ駆動による装置ではCMOSセンサーの方が格段に強みを発揮します。

　

■　コンパクト

素子をコンパクトに設計するのは構造上CMOS素子の方が優れています。

素子の構造がシンプルなため集積率もCMOSの方が高くできます。

　

■　電子シャッタ

CCD素子の中で、インターライン型と呼ばれるものは電子シャッタ機能を持ちます。

CMOSもグローバルシャッタ機能付きは同時刻電子シャッタ機能を持っています。

ただし、グローバルシャッタ機能のCMOSは、各画素にシャッタを切った後の電荷を一旦蓄えるメモリ部を持たせるので、受光部が小さくなり感度が悪くなる傾向があります。

デジタル一眼レフでは、グローバルシャッタ機能を持つCMOS素子はありません。

また携帯電話に使われるCMOSは、ローリングシャッタです。

　

■　Blooming（ブルーミング）

CMOSセンサーは、受光部がバイアスをかけたフォトダイオードでできていて、 光の入射に対して保持していた電荷を放出する構造になっています。

従って、過度な光が入射してもCCDセンサーのように過剰な電荷が蓄えられて周辺の画素にあふれ出すようなBloomingという現象がおきません。

この現象がないのは、CMOSセンサーの大きな特徴です。

▲　CMOSの画質を向上させたCDS（Correlated Double Sampling）機能　（2008.12.27）

 

CMOS撮像素子が、ノイズを低減させて画質を向上させていった大きな技術革新の一つにCDS（Correlated Double Sampling、相関二重標本化法）があります。

CDSは、米国ウェスチングハウス社のMarvin H.White（1937〜）（CDSの功績で、2021年第73回エミー賞受賞 = 73rd Technology & Engineering Emmy Award）が、1974年に開発したものです。

この手法は、信号成分と信号のない時間での雑音成分を逐次A/Dサンプリングしてその差分を得るというものです。

両者の共通する雑音成分を除去することができ、S/Nの良い映像情報を得ることができるようになりました。

　 　 　 　

 

▲　電子シャッタ内蔵CMOS撮像素子　　（2008.07.03記）（2008.09.13追記）

 

計測用CMOS撮像素子では、電子シャッタ内蔵のものが一般的になっています。

計測目的に使う場合には、時間分解能を上げる必要上この機能を備えたものがとても大切だからです。

CCD素子においても、計測目的では電子シャッタ内蔵のインターライントランスファCCDが一般的になっているのと同じ理由です。

CMOS撮像素子ができた当初は、シャッタ機能がありませんでした。

右図の青色の破線で囲まれた回路のないCMOS撮像素子が一般的でした。

従って、フォトダイオードに蓄えられる電荷は、取り出しスイッチで取り出されてリセットがかかるまでフォトダイオード上に残ることになります。

 

CMOS撮像素子では、各画素毎にスイッチが働いて蓄えられた電荷量を取り出すので、1画素毎に取り出し時間がずれます。

（インターフレームトランスファ型）CCDのように一斉に取り出すことはできません。

CCDは、垂直転送路でそうした芸当ができましたが、CMOSは一つ一つ取りだすことが基本的な原理となります。

従って、一画面の構成は、撮影速度分の1、つまり、30コマ／秒の撮影では、最初に取り出した画素と最後に取り出した画素では1/30秒の時間的ズレが生じることになります。これは1940年代に出来上がったテレビ放送の撮像原理、送信原理、受像原理でも同じ事が言えました。

　 　

 

■　ローリングシャッタとグローバルシャッタ（Rolling Shutter, Global Shutter）

1990年中頃に開発されたCMOS素子は各画素に増幅器が内蔵されていて、画素毎のノイズをキャンセルして情報分を有効に取り出す工夫がなされていました。

これを1990年以前のCMOSと区別して、APS（Active Pixel Sensor）と呼びます。

これは先に説明したもので、右上の図の青色点線のない構造です。

APSでは、各画素にリセットスイッチと増幅素子が内蔵されています。

APS以前の素子をAPSの対語としてPPS（Passive Pixel Sensor）と呼んでいます。

APSでは、リセットスイッチの働きによって受光する時間分を任意に設定することができます。

このリセットスイッチの本来の機能は、ノイズ成分も取りだしてノイズと受光成分の2成分を引き算して（CDS = Correlated Double Sampling、相関二重サンプリング手法で）ノイズを低減するために設けられたものですが、このリセットスイッチをシャッタスイッチとして使うことができます。

すなわち、リセット信号を使って短い時間だけ受光を行えば高速シャッタリングを行うことができます。

この高速シャッタは取り出す画素ごとに行っていくので、取り始めの画素と取り終わりの画素では時間的遅れが生じます。

この機能をRolling Shutter と言います。

この機能では、1/100,000秒程度の短時間露光を行うことができる反面、各画素が1/30秒で取り込まれるならば最初の画素と最後の画素では1/30秒の遅れがでてしまいます。

ローリングシャッタの名前の由来は、画面をローラで舐めるように（ドミノ倒しのように）シャッタが次々と切れていくので、この名前が付けられたと理解しています。

このシャッタ機能を説明したのが下の図の右です。

実際のシャッタはこのようなものではありませんが、孔のあいたシャッタ孔が左から右に走り開けられた部位に相当するセルが露光を受けるという仕組みです。

これはニポー（独 Paul Nipkow、1860 - 1940）が1883年に考案したしたことからニポーシャッタとも呼ばれています。

CMOS撮像素子ではこの機能を電子シャッタで行っていました。

要するに全画素一度に電子シャッタを切ることはできなかったのです。

計測分野ではこのシャッタは受け入れ難いものでした。

ローリングシャッタは、光量を調整するためには有効なものであるものの、画素ごとに時間が変わるのは正確な時間成分情報が得られないことを意味します。

ローリングシャッタによる画像をみると、動きの速い被写体では像が歪んでしまいます。

一眼レフカメラに使われているフォーカルプレーンシャッタも、一種のローリングシャッタです。

フォーカルプレーンシャッタは、撮像面（フォーカルプレーン）に設けられたシャッタであり先幕と後幕の2枚の幕がフォーカルプレーン上を端から端まで走ります。

2枚の幕の間隙（すきま）の巾と走るスピードでシャッタ時間が決まります。

幕の走るスピードが遅い場合、撮像面の両端では露光する時間タイミングが顕著に変わります。

ローリングシャッタはフォーカルプレーンシャッタと同じような問題を抱えています。

グローバルシャッタは、ローリングシャッタの問題を解決するために開発されました。

　

■　グローバルシャッタ（Global Shutter）

CMOS素子にグローバルシャッタ機能が付けられたことによって、CMOS素子が計測用カメラとして普及を見たのは疑いのない所でしょう。

しかし、高級デジタル一眼レフに採用されているCMOS素子には、グローバルシャッタ機能は付けられていません。上の図からあきらかなように、グローバルシャッタを付けるということは、画素内の回路が複雑になってフォトダイオード部が小さくなることを意味します。

この機能を付け加えると、画素の開口率が下がり、さもなくば1画素のサイズを大きくしなければならなくなってしまいます。また、素子にシャッタという付加回路を付けなければならないことにより素子が高価になります。

従って、グローバルシャッタ内蔵のCMOSカメラは、高速度カメラを含めた計測カメラしか使われていません。

グローバルシャッタ機能がなかった1990年代の高速度カメラは、撮像素子の前にロータリ円板シャッタを回して撮影と同期させてシャッタを切っていました。円板のスリット巾と円板の回転数でシャッタ時間が決まりました。撮像面をスリットが横切ってシャッタを切るわけですから、回転円板シャッタはフォーカルプレーンシャッタということになります。

また別の高速度カメラは、シャッタ機能をつけずにそのままのものもありました。

そうしたカメラで高速度現象をとると顕著に画流れと像の歪みがおきました。

この不具合を解決するために、パルスレーザを使ってレーザストロボで鮮明な画像を撮ったり、カメラの前にイメージインテンシファイア（光増幅光学装置）をつけてシャッタリングを行いました。

CMOSにグローバルシャッタ（電子シャッタ）がつけられるようになって、1/100,000秒〜1/1,000,000秒（10us〜1us）のシャッタリングが可能になりました。

電子シャッタが機能する時間タイミングは、CCD素子の電子シャッタと同じで、転送を始める直前に行われます。

 

■　背面照射型撮像素子（Back Illuminated Image Sensor）（2020.02.11追記）

背面照射型撮像素子は、右図に示すように受光部を前面部に配置して配線部と回路素子を下部に配置した撮像素子です。

半導体製造工程では下図の左に示した表面照射型撮像素子が一般的でした。

撮像素子は、シリコン基板部にまず受光部を作りその上部に関連する配線や増幅回路、スイッチ回路を生成していきました。

積層された付帯回路は受光部に対して土手のように高くなるため、入射光が受光部に十分に届かない、すなわち、開口率が低く感度の低い素子となっていました。

それを解決するため、光を基板の側から（背面から）直接受光部に入れる方式が考え出され、撮像素子製造の最後の工程で基板を極限まで磨いて受光部を露出させるように配慮し、それをひっくり返してカラーフィルターとマイクロレンズを付けるようにしました。

背面照射型撮像素子は、製造工程の難しさから天体観測用の素子に使われてきたぐらいで民生用には使われてきませんでした。

しかし技術革新の結果、スマートフォンのカメラにも使われるようになって感度の高い撮影ができるようになりました。

 

 

【高感度・高ダイナミックレンジの科学用CMOS - sCMOS】（2020.02.10追記）

長時間露光撮影や16ビット（64000階調）のできる撮像素子は、CCD素子が圧倒的に有利でしたが、CMOS素子でもCCDの特性を凌駕するものが開発されました。

sCMOS（scientific CMOS）は、CMOSの欠点である低濃度（低受光容量）と低感度を克服した科学用CMOS撮像素子です。

2009年に発表されました。

開発は、Andorテクノロジー社、Fairchild イメージング社、とPCO社の3社で行われました。

開発の目的は、極めて低ノイズであること、高速取り込みができること、広いダイナミックレンジであること、量子効率が高いこと、高解像力であること、広範囲の視野を同時に一つのイメージセンサーでまかなえること、などでした。

右のsCMOS素子は、以下の性能を持っています。

 

・画素数： 2560画素 x 2160画素（5.5M pixels）

・最大撮影速度：105コマ/秒（ローリングシャッタモード時）、52.5コマ/秒（グローバルシャッタモード時）

・ピクセルサイズ：　6.5μm

・読み出しノイズ：<2e-@30コマ/秒、3e-@105コマ/秒

・ダイナミックレンジ：16,000:1@30コマ/秒

・QE（量子効率）max.: 60%・読み出しモード：　ローリングシャッタもしくはグローバルシャッタ（選択可）

・冷却：　可能　空冷-30℃、水冷-40℃

・冷却時の暗電流：　空冷 0.0015 e-/pixel/sec、水冷 0.007 e-/pixel/sec

sCMOS撮像素子はなぜ高濃度で低ノイズ、高速読み出しができるのかというと、上図に示すような1画素に2つの読み出し処理回路があるからです。

一つは高感度ゲインのアンプを使った微弱光領域の高感度用で、もう一つは低感度ゲイン用のアンプです。

この2つの処理回路で得られる各11bitデータを合体処理して22bitデータとして取り出します。

これにより、数万エレクトロンの受光容量が得られ、高速サンプリングも100コマ/秒が得られます。

sCMOSは、サンプリング速度が足りない高感度CCDや、焼き付き問題を持つI.I.（Image Intensifier）を補う機器として医学分野や微弱光を扱う物理分野で注目を集めています。

　 　

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▲　一時代を築いた撮像管　（2001.02.26）（2008.10.13追記）

 

固体撮像素子全盛の時代にあって、1990年代まで使用されてきた真空管撮像素子（イメージチューブ、撮像管）について触れたいと思います。

撮像管は、右図に示すように真空管です。

真空管の先（図では左下）が平面になっていて、そこが光導電体（photo conductor）となっていて光に反応して電子像を形成します。

光導電膜の場合、光の強度に応じて抵抗が変化します。右上が電極です。

 

撮像管は高価で、取り扱いが難しい（高電圧を使う、光に対して敏感で焼き付きが起きる、破損しやすい、寿命が短い）製品のため、撮像管しかなかった時代にはテレビカメラを使って家庭内のプライベートな映像を撮るということはありませんでした。

当時、アマチュア向けのテレビカメラは無かったのです。

1980年代中頃までの家庭用動画撮影装置と言えば、8mmフィルムカメラが主流でした。

テレビカメラが家庭に普及するようになるのは、CCDカメラと家庭用VTRが一般的になった1880年代後半からです。

この時期に、8mm巾のビデオテープレコーダとCCDカメラの二つの映像機器が家庭用に開発され、これが一体型となって持ち運びに便利になったため大いに普及するようになりました。

従って、1980年代中頃までのテレビカメラと言えば、放送局用か産業用に限られていました。 現在主流になっている個体撮像素子と比べると、撮像管は以下の特徴を持っていました。

 

■　固体撮像素子と比べた撮像管の特徴 　

・　ガラス製真空管　-　大きくて、破損の危険

・　耐久性に問題あり

・　寿命が短い（フィラメント切れ、真空度劣化）

・　消費電力が大きい

・　高電圧を使用する

・　残像が多い

・　過度の光で焼き付きが起きる

・　歪曲収差が多い

・　磁界の影響を強く受ける

・　高価

 

CCDは、撮像管の欠点をカバーするすぐれた特徴をたくさん持ち合わせていました。

従って、固体撮像素子の解像力と階調、感度が撮像管の性能に匹敵した時点で撮像管の時代の幕が下りました。

　 　

 

■　撮像管の原理

撮像管の基本原理は、フォトチューブ（光電管）です。

固体撮像素子がフォトダイオードであるのに対し、撮像管は真空管を使った光検出素子と言えます。

歴史的に見て、光電管の応用製品として撮像管ができるのは十分に理解できます。

撮像管の多くは、光導電体（photo conductor）を利用しています。

光電面（photo-cathode）ではありません。

光電面は電子像が電子として一気に放出されるのに対して、光導電体は電気抵抗が変わるだけなので、撮像面上の画像を一筆書きでなぞるように取り出すにはこのほうが都合がよかったのです。

光電面は初期のテレビカメラ（非蓄積形撮像管、イメージディセクタ）や、イメージ形撮像管に使われました。

撮像管は、光導電体の2次元面に光学像を結ばせて、2次元面の光学像をなぞるようにして電気信号変換（スキャン）を行っていました。

従って、撮像管には走査を可能にするための熱電子電極と、熱電子を光導電体に打たせる偏光電極機能を持たせていました。

撮像管は、ブラウン管（CRT = Cathode Ray Tube、陰極線管）の反対の装置と考えて良いでしょう。

ブラウン管（CRT）は、電子銃を使って蛍光面に電子像を描画する装置です。

固体撮像素子と液晶テレビができるまでの電子映像は、入力も出力も電子管（真空管）だったのです。

　

 

■　代表的な撮像管　-　ビジコン（Vidicon）管 下図に代表的な撮像管であるビジコン管（Vidicon tube）を示し、その原理図を示します。

撮像管は、外形が細長い円筒状のガラス管でできています。

図の左側が光導電体（ターゲット）で、全体の中程に電子ビームを偏向及びフォーカスさせる電子制御部があり、右側は熱電子を放出するフィラメント = カソードになっています。

撮像管の周りは、撮像管内の電子ビームを走査する偏向ホークや収束コイル、アライメントコイルが取り付けられています。

撮像管の左側の入射部にはカメラレンズが取りつけられ、光学像が光導電体（ターゲット）にできるようになっています。

撮像管は真空管なので、電子ビームを放出するために別途300V〜800Vの電源を必要とします。

撮像管内部には、カソードから放出される熱電子（電子ビーム）を精度良くターゲットに当てるための制御グリッドが4つ（G1〜G4）配置されています。

G1（グリッド1、1番目のアノード）はカソードからの熱電子を加速する役目をし、G2（グリッド2）はG1で加速された電子ビームの電流調節を行います。

G3は電子ビームを均一に飛ばす目的の円筒グリッドで、G4メッシュが電子ビームを減速させてターゲットに都合良くコンタクトさせるものです。

撮像管を回路的にみた図が、上図の右下に示した等価回路です。

撮像管の受光部（ターゲット）は、ビジコンの場合、光導電体なので光の強さによって抵抗が変わる可変抵抗体となります。

ビジコンで使われている光導電体は、三硫化アンチモン（Sb₂S₃）の蒸着膜が使われています。

これは光の強さに応じて電気抵抗が変化する特質を持っています。

この材料は、光が当たらないととても高い抵抗値を示し、光の当たる強度に応じて抵抗値が低下します。

ターゲット面は、電気的には光によって抵抗が変わる可変抵抗（r）と電気容量（コンデンサ：c）を持ったものと見なすことができます。

 

電子ビームは、ターゲットに向かって打たれます。

電子ビームがターゲットに当たると、上図の等価回路のスイッチが閉じたことになり、電荷がターゲット容量に蓄えられます。

電子ビームが走査によって任意のターゲット面から離れるとスイッチが開いたことになり、ターゲット容量に蓄えられた電荷がターゲット抵抗（r）を通して放電します。

ターゲット抵抗は光の強度によって変わるので、明るい場合は抵抗が低くなるため蓄えられた電荷は速く放電して電圧が高くなります。

暗い場合は蓄えられた電荷はほとんど放電しないので電圧は上がりません。

ターゲット面は薄い膜でできていて、電子ビームが照射された部分だけが上の等価回路の働きを持つことになります。

光導電膜を持った撮像管では、CCD固体撮像素子のような画素という概念は明確にはないものの、電子ビームをきわめて細くして精度良くターゲット面に照射させ、ターゲット面がキメの細かい解像力の優れたものであれば電子ビームの走査（スキャニング）によって電子像をきめ細かく読み出すことができます。

この構造からわかるように、撮像管自体にはシャッタという考えがありません。

電子ビームが当たるまで光導電膜は光が与えられ続けます。

したがって、こうした撮像管は短時間露光ができませんでした。

短時間露光を行うには、走査の開始時点でキセノンフラッシュなどを発光させて露光させる必要がありました。

撮像管の歴史は、感度と解像力の歴史でした。

人間の目で見える明るさで綺麗にテレビ画像が撮れることが一番の目的だったのです。

300ルクス程度の室内できれいな色合いでテレビ画像を得ることが大きな目標でした。

その目標に向かっていろいろな撮像管が作られて行きました。

 

また、娯楽用のテレビカメラとは違って、学術用のカメラも開発されました。

これらのカメラは、紫外線やX線、赤外線に感度を持ったものや微弱光下で撮影できるカメラでした。

これらの詳細は、「■撮像管の種類」の所で触れています。

　

■　撮像管の大きさ 撮像管の大きさを以下に示します。

撮像管の径（呼び径）が現在の固体撮像素子の大きさを表す数値として踏襲されています。

2/3型（2/3インチ）CCDは、18mm（2/3インチ）の径を持つ撮像管の像サイズと同じだったので、これが固体撮像素子に使われました。

多くの撮像管は、1/2インチから1 1/2インチ（13mm 〜 38mm）のものが多く作られ、高解像力のものでは2インチから4 1/2インチ（51mm 〜 114mm）のものが作られました。

撮像管も時代が下るにつれて技術革新によって小さなもので高性能なものが作られ、ENG（Electric News Gathering）用の3管式携帯カメラではφ18mm（2/3インチ）が主流となりました。

 

以下に、撮像管の大きさと像の大きさの一覧を示します。

　 　

チューブ径 （理論値）		像　サイズ　（アスペクト比　4:3）
		巾		高さ		対角線
mm	inch	mm	inch	mm	inch	mm	inch
38	3/2	20.32	0.80	15.24	0.60	25.4	1.0
25	1.0	12.7	0.50	9.5	0.375	15.9	0.625
18	2/3	8.8	0.346	6.6	0.260	11.0	0.432
13	1/2	6.5	0.256	4.9	0.192	8.13	0.320
30	6/5	16.9	0.667	12.3	0.500	21.1	0.834

撮像管の径と像サイズの関係

CCD・CMOS撮像素子の素子サイズの呼び名（2/3型、1/2型）に影響を与えた

　

　　 　 　

 

■　撮像管の種類　 （2008.09.24追記）

撮像管は歴史があるため、たくさんのものが作られました。

以下代表的なものを説明します。

　

上の図が撮像管の分類です。

撮像管は大きく分けて、1.の非蓄積形と2.の蓄積形に分けられます。

非蓄積撮像管は、テレビカメラの元祖的存在のもので、1931年に米国のFarnsworth（1906 - 1971）によってイメージディセクタ（Image Dissector）と呼ばれる撮像管が開発されました。

この撮像管は、極めて感度が低くかったため、最初の動画用撮像管という栄誉を得ましたが実用には耐えませんでした。

テレビカメラの最初の原型だったと言えるでしょう。

非蓄積管は、レンズで結ばれた光学像を電子像に変換する際に電子像を保持し続ける能力がなく、光が当たればそのまま光電子を放出していました。

従って、電子像を電気信号として取り出すには、電子管の偏向回路によって電子像を偏向（移動）させて光電面の対極中央部に付けられたマルチプライヤ（電子増幅管）で電子像の部位を取り出していました。

電子増倍管を使ったのは、それほど感度が低かったからです。

電子ビームを振らせて像を走査するのではなくて、検出部が固定されていたため像全体を上下左右に振らせていました。

これは、我々が知る電子ビーム走査による撮像管（ビジコン管など）とは随分と違う方式でした。

しかし、イメージディセクタ管は、電子像の任意の位置を走査することができるので、ランダムアクセスができる特徴がありました。

そうは言っても、非蓄積管の名前の通りとても感度が低かったので、テレビ放送には使われず主に基礎研究として使われました。

科学技術用としては特徴があったので、フィルム像や物体を計測する目的にこの撮像管が使われました。

 

蓄積形撮像管は、電子像が蓄積されます。

蓄積された電子像は、電子ビームを使ってなぞられ（走査され）電気信号として取り出されます。

このタイプでは、電子ビームが走査されるまで電子像が蓄積され続けますので（露光時間が長くなるので）感度が良いという特徴があります。

蓄積形撮像管は、高速度電子ビーム走査方式と低速度電子ビーム走査方式の2種類があります。

高速度電子ビーム走査方式の撮像管が最初に開発され、次第に低速度電子ビーム走査方式に取って代わられるようになりました。

高速度電子ビーム走査方式の高速度とは、電子ビームを加速させる電圧が高くてビームの加速が速いという意味です。

これの代表的な撮像管は、アイコノスコープ（Iconoscope）で、1933年に米国のツボルキン（Zworykin：1889 - 1982）が発明しました。

イメージディセクタが開発された2年後です。

この撮像管は、イメージオルシコンが開発される1946年まで使われました。

テレビ放送開局当時は、この撮像管が使われていたことになります。

イメージオルシコンは、撮像管の操作電圧を低くして取り扱いをよくした高感度のものでした。

この撮像管は、ビジコンが開発される1950年代後半まで使われていました。

 

このようにして、放送局で使われた撮像管は、ビジコン系の光導電形撮像管に収れんして行きます。

ビジコン系撮像管（光導電形撮像管）は、進化を続け感度を上げて行き1990年までテレビ放送局のカメラの心臓として重要な役割を果たしました。

これら連綿と続く撮像管の開発には、米国のRCA社（Radio Corporation of America）が中心的な役割を果たし、初期のほとんどの撮像管の開発にRCA社が関わりました。

　　

 

●　ビジコン（Vidicon）

先に、撮像管の代表的なものとしてその構造を説明したように（「■ 代表的な撮像管　-　ビジコン（Vidicon）管」）、ビジコンは撮像管の基本となったものです。

1950年に、米国のRCA（Radio Corporation of America）社によって開発されました。

ビジコンは、光導電形撮像管と呼ばれるタイプです。

光導電形撮像管とは、半導体に光を照射すると電子や正孔の数が増加して、電気伝導度（導電率）が著しく増加する現象を利用した撮像管です。

光導電体（ターゲット）は、三硫化アンチモン（Sb₂S₃）の蒸着膜を使用しています。

このターゲットの感度波長は、λ=430〜740nm程度です。

三硫化アンチモンは、非常に安定しているためたくさんの種類のビジコン管が開発されました。

チューブ口径も1/2インチ、2/3インチ、1インチ、1.5インチの撮像管が市販化されました。

ただ、放送局用には、このビジコンをベースにしてより感度のある解像力の良いプランビコンやサチコンなどが使われました。

高速度ビデオカメラ（1972年、米国Video Logic社 Instar、白黒画像）が最初に開発されたとき、カメラの撮像素子にはこのビジコンチューブが使われ120コマ／秒の撮影を可能にしていました。

記録媒体は1インチ巾のビデオテープレコーダで、AMPEX社のドラムヘッドを改造して使っていました。

撮像管の残像もなんとか1/100秒以内に入っていたようです。

　

●　プランビコン（Plumbicon）

1962年に、オランダフィリップスが開発した光導電形の撮像管です。

撮像管の歴史は、感度向上の歴史でもあります。

いかに明るくて階調と解像度の高い撮像素子を作るかが、第1命題でした。

ビジコン管が撮像管の代名詞となって以降、この素子に改良が加えられて、幾多の撮像管が作られて来ました。

プランビコンは、ビジコンの流れをくんだ高感度低残像の優秀なものでした。

プランビコンは、光導電体として一酸化鉛（PbO）を採用しました。

しかし、このプランビコンは波長感度に問題がありました。

通常のプランビコンの波長感度は、λ=400〜650nmであり、赤の感度がなかったのです。

赤に弱い撮像管でした。

この感度不足を補うために、赤色感度専用にイオウ（S）を添加した赤増感ターゲットが作られました。

プランビコンは、感度が良く残像特性も良好なことから、初期のカラー高速度ビデオ（1982年、ナックHSV-200、カラー）に使用されました。

　

 

●　カルニコン（Chalnicon）

この撮像管は、1972年に日本の東芝が開発しました。

基本構造は、ビジコンと同じですが、ターゲットにセレン化カドミウム（CdSe）を用いて感度と解像力を向上させました。

製品は、1インチタイプと2/3インチ（φ18mm）タイプの二つがあり、ビジコンとの互換性が保たれていました。

感度が高くなった分、残像も多くなりました。

撮像管時代の放送局用テレビカメラは、野球中継（ナイター）や夜間の車の撮影をすると、輝度の高い照明灯やヘッドライトが尾を引くコメットテール（comet tail）現象が見えました。

放送された映像を見ると、1秒以上尾を引いていたので残像は1秒以上あったことになります。

　

●　サチコン（Saticon）

1974年に日本の日立とNHKが共同開発しました。

基本構造は、ビジコンと同じでターゲットにセレン（Se）を用いて、その中にヒ素（As）とテルル（Te）を添加したアモルファス膜を採用しました。

感度と解像力がよく放送用ハンディカメラに使われました。

このチューブは、感度と解像力、そして残像を抑えた撮像素子として開発されましたが、1/100秒以下に残像を抑えることができなかったため、高速度カメラ用には使われませんでした。

　

●　その他の撮像管

この他にも、たくさんの撮像管があります。

ビジコンの流れをくんだニュービコン、シリコンビジコン、高感度撮像管のイメージオルシコン、イメージアイソコン、などがありました。

　

●　SEC管（Secondary Electron Conduction tube）　　（2000.09.14）（2008.11.04追記）

SEC管は、科学技術の世界では忘れてはならない撮像管です。

この撮像管は放送業界では使われることはありませんでしたが、宇宙開発を行っていた米国NASAの要請で開発されました。

SEC管は、1969年、NASAがアポロ計画で月に持って行った小型携帯テレビカメラに使われました。

この事実は、宇宙開発にとって映像装置は大変重要な計測と記録要素を持っていたことが伺えると共に、カメラまで独自に開発してしまうほど性能（特に感度）を重視していたことを物語っています。

SEC管は、NASAがWestinghouse社に開発を依頼して1963年に完成させました。

華々しいデビューを飾ったのは、アポロ11号が月に持って行った1969年ですから、撮像管を開発してから6年をかけてシステムの作り込みをしたことになります。

 

■　SEC管の開発背景

NASAは、なぜビジコン管をはじめとした当時の放送局用の撮像管を使わずに、SEC管の開発を決めてWestinghouse社にシステムの開発を要請したのでしょうか。

その理由は、1にも2にも撮像管の感度であったようです。

当時、放送局で使われていたテレビカメラは感度が悪く、夕暮れや曇り空での撮影は困難でした。

当時（1960年）は、テレビカメラを屋外に持ち出すことはめったになく、撮影はすべてスタジオで行われていました。

その理由は、感度ももちろんでしたがテレビカメラの大きさ（重さ）や、取り回しの悪さ、中継車の大きさなども絡んでいました。

日本のテレビ放送で、本格的に屋外での生中継が行われたのは、1959年4月の皇太子・美智子様のご成婚でした。

かなり大がかりの設営のようでしたが、このテレビ中継を境に家庭にテレビ受像機が急速に普及したそうです。

テレビカメラが外に出るようになったのは、サチコンのような感度の高い撮像管が開発されて、電子回路にトランジスタが採用されてコンパク

なテレビカメラができあがった1970年代後半でした。

それまでの屋外撮影では、ニュースソースを含めほとんどの映像記録にフィルムカメラが使われ、フィルム画像をテレシネという装置で電子画像に変換してテレビ放送されていたのです。

それでは逆に、NASAが採用したSEC管を、なぜ放送局は採用しなかったのでしょう。

それは、SEC管は感度が良いものの画質が悪かったからです。

このことから、宇宙開発では画質よりも感度が優先されていた当時の事情を知ることができます。

NASAは、SEC管が完成するまではVidiconを使っていました。

NASAがTIROS（Television Infra-Red Observation Satellite）を1960年4月から次々に大気圏外に打ち上げて、地球上の雲の様子を撮影した時に使われたカメラはVidicon管でした。

このカメラは、500ラインの走査線で10秒の時間で画像を得るものでした。

明るい雲を10秒かけて撮影したのですから、感度的にはあまり問題なかったものと考えられます。

また、NASAが火星に探査衛星を送り（マリナー4号、1962年プロジェクト発足、1965年データ通信開始）、火星の地形を画像に収めるプロジェクトにもVidionカメラを使っていました。

その当時、SEC管は開発の途上にありました。

Vidiconカメラは、200x200画素で6ビットの画像を撮るのに2.5秒もかかりました。

Vidicon管はもちろんアナログ撮像素子ですが、長距離通信の関係上、初めてデジタル画像通信が行われました。

従って、取り込む画像は解像力が低く撮影速度も遅いものでした。

マリナー4号のプロジェクトは、世界で最初のデジタル画像通信でしたから撮影が遅いことは理解できます。

従って、取り込みが遅いためにカメラに要求される感度も高いものは必要なく、Vidicon管で満足できたという当時の事情も理解できましょう。

Vidicon管が明るければ、SEC管の開発の必要などなかったでしょう。

テレビ画像のレートで屋外撮影を行うには、当時のVidiconはまだまだ不十分だったのです。

NASAは、月に人を送り込むとき、月面での活動を逐次地球から観たいという要求を持っていました。

フィルムでは現像を余儀なくされるため、たとえ月に現像機を持ち込んだとしても、これを現像して電子画像に直して地球に送るには時間がかかりすぎました。

こうした理由から、NASAは月面活動撮影カメラを作ることを決めたのです。

ちなみに、アポロ11号では、このプロジェクトのために開発したSEC管によるテレビカメラシステム（ALSC = Apollo Lunar Surface television Camera）の他に、高画質の記録写真を撮るハッセルブラッド、250枚のフィルム撮影をする長尺マガジン付ニコンFカメラ、動画記録用16mmフィルム計測カメラを持ち込んでいました。

ハッセルブラッドカメラは、宇宙飛行士の宇宙服の胸に取り付けられ、押しボタン一つで飛行士が見る方向の視界を撮影できるようになっていました。

ハッセルブラッドで撮影された写真はとても綺麗で、アポロ計画の記録写真として秀逸な業績を残しました。

ただ、これらは当然のごとく現像工程が必要なため地球に戻ってからでないと画像を手に入れることはできませんでした。

その意味でリアルタイムのTVカメラシステムは重要だったのです。

 

■　SEC管の基本性能 SEC管の構造を下図に示します。

SEC管は、撮像管の区分でみると蓄積形であり、低速度電子ビームタイプのイメージ形に属します。

これは感度を重視するタイプです。

この図を見ると、SEC管は大きく分けて2つの部分で構成されていることがわかります。

左側部が像増強部で右側が通常の撮像管です。

右側撮像部は、ビジコン管と同じ構造になっています。

左部の像増強部が感度を稼ぐ部位です。

この部位は、第一世代のイメージインテンシファイア（光増幅光学装置）と構造が似ています。

この部位は光学像を光電面（photo cathode）で受けて電子像を作り、これを加速させてターゲットにぶつけます。

ターゲットは、KClやMgOなどの多孔質高抵抗物質でできていて、数kVの電位で衝突した電子像はさらにここで2次電子を放出します。（1個の像電子が200個程度の電子に増幅されるので感度が上がります。）

ターゲット部は、電子像が衝突する部位が電位「0」になっていて、信号を取り出す面が10〜20Vの電位になっているのでこの電位差によって2次電子が放出されます。

　

上の図から見ても明らかなように、SEC管には高電圧が使われています。

光電面からターゲットに向かって高速（高電圧）で加速された電子が衝突します。

強い光が光電面に当たると、当然ながらオーバーロードになり焼き付きや損傷を起こします。

画質も電子レンズ（左側の像増強部）が付加されている分だけ悪くなります。

 

こうした事情もあってか、SEC管を使用した応用は大きな広がりを見せませんでした。

学術用の高感度カメラは、イメージインテンシファイア（光増幅光学装置）を取りつけた撮像管の方が感度が良く取り扱いも良かったので、時代の要求に合わなくなってしまいました。

 

SEC管カメラは、当時のビジコン管に比べて50倍程度の感度があったと言われています。

当時のスタジオ内の明るさが3000ルクス〜5000ルクスだったとすると、SEC管カメラは、60ルクス〜100ルクスの環境で撮影ができた事になります。

この明るさは夕暮れ時の明るさ、もしくはちょっと暗めの室内に相当します。

 

■　アポロ11号での活躍

アポロ11号が月に持って行った月面テレビジョンカメラ（ALSC = Apollo Lunar Surface television Camera）は、米国Westinghouseが6年の歳月をかけて完成させたもので、カメラの心臓部には同社が開発した高感度撮像管SEC管が採用されていました。

このカメラは、月面活動で見事に大役を果たし、人類が月面に初めて降り立つ瞬間や宇宙飛行士の月面での活躍をリアルタイムに地球に送って来ました。

（リアルタイム映像は、実際は10秒〜30秒程度は遅れたかも知れません。）

当時、中学2年生であった私は、テレビでこの中継を見ていてとても興奮したことを覚えています。

ただ、画質はお世辞にも綺麗とは言えず、階調も粗く動きも10フレーム/秒の映像のためかぎこちなく見えました。

それでも人類が遠い彼方の月面にいて、それを実時間でテレビで見られることの科学の壮大さに心ときめいたものでした。

コンピュータの威力を知ったのもこの頃です。

このカメラの開発にあたりNASAが要求した仕様は、以下のものです。

 

・　高感度：　月面での暗闇でも肉眼程度の明るさで撮影できること。

・　耐環境性：　月面での温度、-180℃〜 + 120℃の温度に耐えること。

・　コンパクト：　月まで持って行けるだけの大きさであること。

・　操作性に優れていること：　宇宙飛行士が月面で持ち運べること。

・　低消費電力であること：　バッテリを消耗しない電力、〜6W。

・　物体の輝度範囲が広い現場での撮影が可能：　月面の夜と昼を撮影。

・　感度が高く露光調整も可能：　ゲイン調整機能、レンズリモート絞り。

・　遠く離れた地球へ映像信号が送れること：　500kHzの信号帯域通信。

		米国Westinghouse社がNASAのために開発した月面活動用のテレビカメラシステム。 心臓部に同社が開発したSEC管を採用している。 月面での活動を考慮してコンパクトな設計となっている。 カメラは、宇宙飛行士が片手で持って持ち運べる構造とし、月面にスタンドを立ててカメラを固定し、宇宙飛行士の月面での活動を撮影した。

 

 

こうした条件で作られたカメラシステムは、1秒間に10枚の撮像を行い、画面は320本の走査線で構成されるものでした。

（通常のテレビカメラは30枚/秒で525本の走査線を持っているので、撮影速度は1/3で走査線は61%でした。）

また、スロースキャンモードにすると1.6秒をかけて1280本の走査線（4倍の走査線）で撮影を行う設計にもなっていました。

しかし、このモードは実際の月面活動では使われなかったようです。

カメラは、24V〜32Vのバッテリで駆動し、消費電力は6.5Wでした。

宇宙へ持って行く電子機器にとって電源消費は最も気になる条件です。

宇宙船には潤沢に電気を供給するバッテリがなく、消費される電力は熱になるので消費電力を食う機器は自然冷却もままならずやっかいな問題となります。

（次世代の自動車として期待されている水素バッテリは、アポロ計画で実用化されたものです。アポロ計画での月着陸船の電源は太陽電池と水素バッテリでした。）

ウェスチングハウス（Westinghouse）社が開発したカメラの大きさは、269mm(L) x 165mm(W) x 86mm(D)であり、その重さは3.29kgでした。

これは、当時としてはとてもコンパクトなものでした。

当時、放送局で使われていたカメラは180kgもの重さがありました。

実に54分の1の軽量化を達成したのです。

ウェスチングハウス社は、カメラを月に持って行くために撮像管自体の他にカメラ電気回路をトランジスタ化し、これをさらに集積化しました。現在では当たり前のようになっているハンドヘルド（携行）型カメラも、集積回路（IC）が未熟であった当時としてはこれを作り上げることそのものが画期的な事だったのです。

月面活動で使われたカメラのアナログ映像信号は、通常のNTSC信号で送られずに、それよりも遙かに品質の悪い走査線本数と撮影速度に設定されました。

その理由は、月から地球に送る通信回線帯域の問題があったからです。

500kHzという低い送信帯域のために粗い画質でしか送れなかったのです。

これはNTSC規格の放送における4.2MHzの通信帯域に比べて1/8.4倍の通信量でした。

従って、この帯域に抑えるため画像も間引きせざるをえなかったのです。

地球に送られてきた月面からの（アナログ）映像は、地上受信局でいったん10インチ（254mm）の特殊スロースキャンモニタに映し出され、これをビジコンカメラ（モデルTK22）で再撮影して（一種のテレシネ作業で）通常のNTSC映像信号に直して放送局に送り、全世界に月面活動の映像を流しました。

　

　 ●　ハーピコン（HARPICON）（HARP撮像素子）　（2000.07.28）（2008.09.23追記）

HARP管は、1985年に日立とNHKが開発した高感度、低残像、高解像力の撮像管です。

HARPICONは日立の登録商標なので、現在ではHARP管と言う呼び名が一般名詞となっています。

HARP管は、当初、日立製作所が製造していましたが、現在（2008年）では、電子管製造で有名な浜松ホトニクス(株)が引き続き製品の製造、開発を行っています。

浜松ホトニクスでの商品名は、APイメージャーです。

 

HARPは、High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductorの略で、光に感度のあるアモルファスセレン（a-Se）膜をアバランシェ増幅ができるようなターゲットとして作り上げたものです。

アモルファスセレンは、1974年に日立が開発したサチコンと同じ光導電膜です。

1995年当時のHARP膜は、約25ミクロンの厚さで、この膜の間に最大2,500Vの電圧を印加しておくと光の増幅作用が最大約6,000倍に達しました。

この値は、高感度撮像管で有名な撮像管サチコンの600倍の感度を持っていると言われました。

 

HARP管は、撮像管としてはおそらく最後で究極的なものと思われます。

感度が非常に高く、暗い被写体の撮影に威力を発揮します。

深海の観察や、オーロラ、日食の撮影、夜間動物の観察などに使われています。

報道番組においても、1995年6月に函館で起きた飛行機乗っ取り事件で薄暮の飛行場撮影にこのカメラが活躍しました。

NHKのハイビジョン用カメラとして、また高速度カメラ用としても高感度、高解像力、低残像の特性が活かされました。

ただ、HARP管は温度管理などメンテナンスに細心の注意が必要であり、一般的な使用では（雑な使用をすると）特性がでなくなってしまうため、専門家を擁する分野で使われるもののようです。

また、撮像管ですから電子シャッタ機能はなく、露光時間は1/撮影速度となります。

 

HARP撮像素子の開発は、1980年代、NHKがプロジェクトを進めていたハイビジョンカメラ用として出発します。

ハイビジョンカメラでは、感度が良くて解像度の良い撮像素子の必要性に迫られていました。

特に感度の要求の点から、固体撮像素子よりも光導電型撮像管が今だ有利という判断によってこの撮像管の開発がスタートしました。

HARP管は、1985年に開発されてから4回の改良が施されました。

改良は主に光電変換膜厚で、開発当初は2umであった膜厚を2003年の4代目では35umの厚いものにしました。

これによりサチコン管と比べた感度が1985年の約10倍から約1,000倍に向上し、残像も低減されました。

残像については、1985年当時は、50msで4.6%の残像があったそうです。

 

1992年、キヤノンは、2/3インチHARPICONチューブを用いた放送局用の高速度カメラを開発しバルセロナオリンピックに投入しました。

このカメラは、180コマ／秒の撮影ができました。

シャッタ機能は、撮像管自体にシャッタ機能がないので、ハーピコン光電面の前に取り付けた同期回転円板シャッタを使って1/3,600秒を実現していました。

解像力は800本以上、撮影感度はASA（ISO）換算で1500でした。

ちなみに、このカメラの記録にはICメモリが使われました。

ICメモリと言っても現在（2008年）のように大容量で高速のものがなかったため、60MHzの記録帯域を確保して5400枚の記録を行ったため大がかりなシステムになり、メモリ部はラックマウント形式で210kgの重さがあったそうです。

1992年　ナック（現：ナックイメージテクノロジー）からもハーピコン管を使った高感度高解像力ハイスピードカメラが開発され、顕微鏡撮影分野などに使用されました。

　 　

 

■　電子管によるその他の撮像素子　　（2000.09.14）（200810.24追記）

撮像管の時代が終わって、CCD・CMOSなどの固体撮像素子が主流になっている現在においても、特殊な分野では電子管技術を用いた撮像素子が使われています。

				1960年代〜1990年代に活躍したフレーミング式イメージコンバータチューブ。 50ナノ秒の露出時間と、 20,000,000コマ/秒の撮影が可能であった。 高速度画像は、イメージコンバータチューブ蛍光面（左画像右端）に投影された。 蛍光面に、一度に最大24枚の画像を次々とシフトしながら撮影。 時間間隔は最小50ナノ秒。 これを蛍光面に密着させたインスタントフィルムで記録した。 ストリーク撮影も可能。
			イメージコンバータカメラで撮影した 　　衝撃波の高速度撮影（1994年）。 　　撮影速度100,000コマ/秒。 　　被写体は、アジ化銀（一種の爆薬）の水中爆破。 　　2000年までは、100,000コマ/秒以上の高速度撮影は、 　　イメージコンバータカメラでなければ不可能であった。

●　イメージコンバータ管（Image Converter Tube、転像管）

転像管とも訳される特殊撮像管です。

高感度撮像装置のイメージインテンシファイアも一種の転像管です。 イメージコンバータ管は、真空管の両面が光電面（入力面）と蛍光面（出力面）から構成されていて、光電面に入射した光学像は素子内部で電子像に変換（イメージコンバート）されます。

この電子像が蛍光面に当たって（ブラウン管のように）可視光像になります。

これは、電子レンズを使った像変換素子と言うこともできます。

 

転像管の利用価値はどこにあるのでしょうか。

光学像を電子像に変換し、再び光学像に直すという回りくどいやり方をなぜ取るのでしょうか。 その理由は、転像管を使った電子像変換には以下に示す特徴があるからです。

 

1.　可視光以外の光を可視化することができる（紫外光、赤外光、X線）。

 

2.　電子レンズと偏向回路によって高速シャッタリングを行うことができる。

及び複数枚の高速度画像が得られる。

（フレーミングで20,000,000コマ/秒、ストリークで数ピコ秒/mm）

 

3.　電子レンズによって像強度の増幅を行うことができる（高感度）。

 

この特徴によって、1960年代からイメージコンバータチューブは発展を遂げ、いろいろな派生転像管が作られました。

右に示すイメージコンバータチューブは、20,000,000コマ/秒のフレーミング撮影ができる超高速度カメラ用で、1990年に開発されたものです。

フレーミング（framing）と言うのは、ストリーク（streak）という撮影法の対になる言葉で、2次元の拡がりを持った通常の画像のことを言います。

ストリークというのは、流し撮り写真のことで、身近な例では競馬の写真判定や、陸上100m走で使われる撮影手法です。

固体撮像素子のラインセンサーもストリーク撮影法の顕著なものと言えましょう。

イメージコンバータカメラのストリーク撮影は、ラインセンサーと比べて桁違いに速いラインの取り込みを行います。

 

高速度カメラ用のイメージコンバータチューブは、1960年代から英国、米国、ソビエト連邦、日本で開発、製作が行われていました。

1960年から2000年までは、超高速度カメラ（10,000コマ/秒以上）は、イメージコンバータチューブを使ったものが一般的でした。

右に示すイメージコンバータチューブは、エンベロープにセラミクスチューブを使うというユニークなものでした。

 

イメージコンバータカメラは、フレーミング撮影よりはピコ秒の時間分解能が得られるストリークカメラに大きな特徴が見いだされて、現在も超高速現象を解明する計測装置としてプラズマ発光現象解明の分野やレーザ励起現象分野で使われています。

　 また、以下に述べるX線イメージャやイメージインテンシファイア（I.I.）も、転像管から進化を遂げたものです。 光電面を持つ撮像管は、テレビカメラの撮像管としては生きる道が閉ざされたものの、こうした特殊な分野では今も大切な役割を担っています。

 

 

●　X線イメージャ（X-ray Imager）　（2008.11.05追記）

Ｘ線は、量子エネルギーのきわめて高い光であるので、可視光に反応する光電膜では電子像に変えることはできません。

また、X線は直線性が強いため、容易に屈折、反射を起こしません。

このことは、X線を使った撮影はレンズやプリズムなどの光学素子が使えないことを意味しています。

したがって、X線イメージャを使わないX線撮影では、大きな記録面を持った（X線に感度を持つ10cmｘ12cmなどの銀塩フィルムによる）直接撮影法がとられていました。

しかし、小さいフィルムサイズで大きな撮影部位を得たい場合や（大きな乾板フィルムは高価で、かつ取り回しが悪い）、たくさんのX線陰影撮影を行いたい場合、または、短期間に集中してたくさんのX線撮影を行いたい場合は（1秒間に複数枚の動画像を得たい場合）、以下に示すようなX線イメージャ（間接撮影）を必要としました。

医学分野でのX線撮影には、このようなX線イメージャが良く使われて発展をしてきました。