センサー
デジタルカメラのセンサーには、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）と電荷結合素子（CCD）の2つの主要な種類があります。どちらの技術も、光活性コンデンサアレイを用いて画像を撮影します。コンデンサに蓄積された電荷は、その場所の光の強度に比例します。色情報を取得するには、光が個々のピクセルに到達する前にフィルタリングする必要があります。これは通常、センサーのピクセルアレイ上にベイヤー配列のカラーフィルターモザイクを配置することで行われます。
CMOSセンサーとCCDセンサーの違いは、各ピクセルの電荷レベルをアレイから読み取る方法にあります。CCDセンサーはシフトレジスタのように動作し、外部制御回路を用いて電荷を1つのコンデンサから隣接するコンデンサへと順次シフトします。アレイの最後のコンデンサからの電荷はアンプに送られ、得られた電圧が処理されてデジタル化されます。一方、CMOSセンサーは、各ピクセルの電圧を処理し、フォトダイオードをリセットするために必要な回路（通常は少なくとも3つのトランジスタと、場合によってはその他の回路要素で構成される）をチップ内に組み込むことで、これらの処理をチップ内で実行します。
CMOS 技術では、すべての回路 (ノイズ低減回路などの高度な電子機器を含む) を各ピクセルに組み込むことができるため、消費電力が少なく、パッケージが小さくなり、読み出しが高速化されて、60 fps やスローモーション ビデオなどの機能が可能になります。CMOS が CCD より優れている点は、回路がセンサー表面の貴重なスペースを占有することです。つまり、特定のセンサー サイズでは、CCD は CMOS センサーよりも多くの光を捉え、低照度でのパフォーマンスが向上します。また、CCD センサーはダイナミック レンジが広く (回路がオフチップにあるためノイズが少ない)、画像の均一性も優れています (増幅器間のばらつきが少ない)。消費電力が低くパッケージ サイズが小さい CMOS センサーは、スマートフォンやタブレットに最適です。大判カメラやプロ仕様のカメラでは、その優れた画質から CCD センサーが使用される傾向があります。
上の画像からわかるように、このCMOSチップの光活性領域は約30%に過ぎず、その大部分はトランジスタに使用されています。CCDでは光活性領域が2倍以上になり、捕捉する光量も2倍になります。しかし、ノイズ低減回路を追加することで、CMOSのS/N比はほとんどの用途に十分な性能を発揮します。
この画像は、センサーサイズ（センサーフォーマットとも呼ばれる）がなぜそれほど重要なのかを示しています。トランジスタのサイズは特定のプロセスノードに対して固定されているため、センサーが大きいほど、解像度が高くなる（ピクセル数が増える）か、光活性領域の割合が高くなる（ピクセル数またはピクセルピッチが大きい）かのいずれかになります。
多くのプロ用カメラで使用されている35mmフルサイズセンサーは、36×24mmと定義されています。APS-Cセンサーは、メーカーによって若干のばらつきはあるものの、約22×15mmで、ほとんどのハイエンドデジタル一眼レフカメラとミラーレスカメラに搭載されています。モバイル機器やコンパクトカメラに搭載されているカメラのセンサーサイズは、スペースとコストの制約により、APS-Cセンサーの数分の1のサイズになっています。例えば、iPhone 6とSamsung Galaxy S6のセンサーは、どちらも下の図に示す緑色の1/2.3インチの長方形よりも小さくなっています。
[クレジット: MarcusGR (CC BY-SA 4.0ライセンス)]
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センサーのサイズと解像度がピクセルサイズ、つまり面積を大きく左右すると述べました。ピクセルサイズは、製造プロセスで使用される材料ドーピングとバイアス電圧とともに、ピクセルの静電容量を決定し、ピクセルが保持できる電荷量の上限を決定します。この特性はウェル容量と呼ばれ（ピクセルを電子で満たされた井戸と考えてください）、典型的なピクセルは数千個から数万個の電子を保持できます。ピクセルのフルウェル容量、つまり隣接するピクセルに電荷が漏れ出すブルーミングなどの副作用が発生する前に保持できる電子の総数は、ダイナミックレンジと信号対雑音比にとって重要です。
ピクセルのダイナミックレンジはデシベル単位で表され、低照度条件からフルウェル容量に達する最大照度までの様々な光強度をどれだけ正確に処理できるかを示す指標です。ダイナミックレンジが高いほど、センサーは露出オーバーになる前に、より広い範囲の光条件に対応できるため、望ましいと言えます。他の条件が同じであれば、ピクセルが大きく、フルウェル容量が大きいほど、ダイナミックレンジは広がります。
ピクセルサイズも信号対雑音比（S/N比）に影響します。より大きな光活性領域によって蓄積できる電荷量が増えるため、ピクセルサイズが大きいほどノイズフロアに対する出力電圧が高くなり、S/N比が向上します。
一般的にピクセルが大きいほど画質が向上するのは明らかですが、センサーの構造も画質に影響を与えます。従来のチップは、シリコン基板またはウェハの上に金属などの材料を積層して製造されます。初期のCMOSセンサーも同様に製造され、回路と金属配線は光活性シリコン領域の上に積層されていました。この前面照射型（FSI）構造では、光はまず回路と配線を通過してからピクセルの光活性領域に到達します。この構造は製造が容易ですが、画質に悪影響を与えます。
FSI CMOS センサーのピクセルの量子効率 (QE) は 50% 未満です。QE は入射光子のうち電子正孔対に変換される数の尺度であり、スペクトル範囲が狭くなります。これは、ピクセル上部の層が入射光の一部を反射および吸収するためです (マイクロレンズとライトパイプを使用すると QE は 80% まで上昇することがあります)。反射光はピクセル感度を低下させるだけでなく、1 つのピクセルに向けられた光子が隣接するピクセルに反射され、画像の鮮明度が低下する光学クロストークも引き起こします。これにより、緑色の光が赤色のピクセルに入射する可能性があるため (隣接するピクセルは異なるカラー フィルターを使用)、色の精度も低下します。FSI センサーではシリコン層が比較的厚いため、電子が隣接するピクセルに漏れたり、基板に吸収されたりする電気クロストークも問題になります。
金属層を光活性層の上に配置することで画質は明らかに低下しますが、欠点はそれだけではありません。FSIセンサーの上層は光トンネルを形成し、各ピクセルの視野を制限します。特定の入射角以下の光線しか通過できず、ピクセルが小さいほどこの状況は悪化します。これにより光学スタックに制約が生じ、カメラの絞り径が制限され、より厚いレンズアレイが必要になります。
2007 年、オムニビジョン テクノロジーズは、これらの制限を克服する新しい製造プロセスの開発に貢献しました。回路と金属相互接続層を作成した後、ウェハーの裏面を研磨して、薄い光活性層だけを残します。可視光はシリコンに短距離しか浸透しないため、この薄化プロセスは不可欠です。その後、チップを上下逆にして使用し、光が裏面の露出した光活性層に直接当たるようにします。回路と金属を入射光を遮ったり干渉したりしない下側に配置することで、裏面照射型 (BSI) CMOS センサーの QE は 90% 以上に向上し、より広いスペクトルの光を捉え、光クロストークを低減します。BSI センサーはより広い範囲の光円錐を捉えることができるため、レンズ アレイの厚さが減り、より広い絞りのレンズを使用でき、ズーム レンズの柔軟性が向上します。
BSIセンサーの薄型基板は、暗リーク電流（ピクセルウェルから基板に電子が漏れ出す現象）を低減することで性能向上にも貢献しています。メーカー各社は、電気的クロストークを抑制するために様々な手段を採用しています。例えば、SamsungのISOCELLテクノロジーは、特殊な材料を用いて隣接するピクセル間に物理的なバリアを構築することで、Samsungによると電気的クロストークを約30%低減します。
製造工程が複雑であることからコストは高いものの、BSIセンサーは現在、スマートフォンやタブレットに広く採用されています。ソニーは2009年にExmor RシリーズのBSIセンサーを発表し、2010年に発売されたAppleのiPhone 4とHTCのEVO 4Gは、背面カメラにBSIセンサーを搭載した最初のスマートフォンとなりました。サムスンや東芝などのCMOSイメージセンサーメーカーも、BSIセンサーの採用に追随しています。
解像度の向上と撮像性能の向上を目指し、メーカー各社は3Dまたは積層型BSI設計への移行を進めています。ソニーのExmor RSセンサーは、この新技術を初めて採用した製品です。この技術では、トランジスタを光活性層からシリコン貫通ビア（TSV）で接続された1層または複数の独立した層へと移動させます。これにより、光子検知ピクセルに使用可能なダイスペースが拡大すると同時に、オンチップ処理能力も向上します。
