Think Again About Image Sensors: Pixels

イメージセンサは、セキュリティ、産業用、車載用アプリケーションを中心に普及が進んでいます。現在、多くの車両にイメージセンサを使用したカメラが5台以上搭載されています。しかし、イメージセンサ技術は標準的な半導体技術とは異なり、誤解されていることがあります。

ムーアの法則とイメージセンサ

一部の人々は、有名な「ムーアの法則」をイメージセンサに適用すべきだと考えています。ゴードン・ムーア（フェアチャイルドセミコンダクター（現在はオンセミの一部）の創設者）の観察によると、集積回路（IC）内のトランジスタ数は2年ごとに倍増しています。トランジスタをシュリンクすることで、1つのデバイスに2倍の数を搭載できるようになりました。トランジスタの成長は最近鈍化していますが、この傾向何十年も続いてきました。このトランジスタ密度増加の別の効果は、トランジスタあたりのコストの低下でした。そのため、多くの電子システムは価格が高くなることなく、より多くの機能を搭載してきました。

イメージセンサが異なるのは、デバイスの最も重要な部分の一部がトランジスタの小型化に対応できないことです。具体的には、入射光を電気信号に変換するフォトダイオードなどのイメージセンサの光学要素と、その電気信号をデジタル画像に変換するアナログ要素の一部は、デジタルロジックほど容易にスケーリングできません。センサでは、画像キャプチャは主にアナログで行われ、デジタル回路が各ピクセルからのデジタルデータを保存、表示またはAIマシンビジョンに使用できる画像に変換します。 

レンズサイズが変わらないままピクセル数が2年ごとに2倍になると、ピクセルが小さくなるため、受け取る光子が少なくなります（雨の日のバケツを思い浮かべてください。バケツが小さいほど集まる雨滴は少なくなります）。そのため、センサは暗い場所でも同様に優れた画像を生成するには、単位面積あたりの感度を向上させ、ノイズを低減する必要があります。したがって、システムで必要とされなければ、ピクセル数を増やすことは無意味です。それによって帯域幅やストレージを増やす必要が生じ、システムの他の場所でのコスト増につながる場合があるためです。

ピクセルサイズ

ピクセルの性能を、ピクセルサイズだけで理解することはできません。物理的に大きなピクセルと高い画質の生成に必ずしも相互関係があるとは言えないためです。さまざまな照明条件でのピクセル性能が重要であり、ピクセルが大きいほど光を集める面積は大きくなりますが、そのことが常に画質の向上につながるとは限りません。画質の向上には解像度やピクセルノイズの指標など、複数の要素が重要になります。 

ピクセルサイズが小さいセンサはピクセルあたりの面積が狭いため、ピクセルあたりの光子が少ないことよりも、解像度が高いという利点の方がアプリケーションに大きな影響を与える場合は、同じ光学領域をカバーする大きいピクセルを持つセンサよりも優れている場合があります。重要なのは、光量が高画質の画像を形成するのに十分であることなので、ピクセルの感度（本当に効率よく光子を電気信号に変換しているのか）と照明条件の両方が重要です。 

ピクセルサイズは、アプリケーションのセンサを選択する上での1つの要因です。しかし、その重要性が誇張されることがあります。このパラメータは他のいくつかのパラメータのうちの1つに過ぎず、同等に考慮する価値があります。センサを選択する際、設計者は対象となるアプリケーションのすべての要件を考慮した上で、速度、感度、画質の理想的なバランスを判断して、適切な設計ソリューションを実現することが必要です。

スプリットピクセル設計 

ダイナミックレンジを最大化することは、最終画像でシャドウとハイライトを正しく表現するために、多くのアプリケーションで価値がありますが、イメージセンサにとっては実現困難な場合があります。フォトダイオードが「満杯」になる前に、電子を集めるための容量を増やすという課題を避けるために、一部の企業では「スプリットピクセル」と呼ばれる技術が採用されています。 

スプリットピクセルアプローチでは、1個のピクセル専用のセンサ領域が2つの部分に分割されます。大きなフォトダイオードが領域の大部分を占め、小さなフォトダイオードが残りの部分を使用します。フォトダイオードが大きいほど多くの光子を収集し、明るい条件では飽和しやすくなります。同様に、小さなフォトダイオードは長時間露光しても、光子を収集するのに使用できる領域が少ないため飽和しません。バケツとボトルを使って雨滴を収集することをイメージイメージしてみてください。バケツは一般に底部よりも上部が広いため、きわめて効率良く雨を収集しますが、開口部が小さく本体が広いボトルに比べて、早くいっぱいになります。暗い場所では大きなピクセルを使用し、明るい場所では小さなピクセルを使用することで、広いダイナミックレンジを作り出すことができます。

図1：最高集積度の半導体、光子から画像出力まで

オンセミでは、信号または電荷がオーバーフローできる領域をピクセルに追加することで、この課題を克服しています。例えば、バケツで雨を受けていて、バケツから雨水が溢れた場合に水を溜めるための広い領域があることを想像してください。「バケツ」信号は非常に高い精度で容易に読み出すことができるため優れた低照度性能を達成でき、溢れた雨水がすべてオーバーフロー水槽に入るのでダイナミックレンジが広がります。そのため、ピクセル領域全体が低照度条件で使用され、明るい条件で飽和することはありません。彩度が高いと、色合いやシャープネスなどの画質が劣化してしまいます。このことから、オンセミの超露光技術が、ヒューマンビジョンアプリケーションやマシンビジョンアプリケーションの高ダイナミックレンジのシーンにおいて、より優れた画質を提供することがわかります。

図2：XGS 16000は16.0 Mp CMOSイメージセンサ

次回の設計にイメージセンサを選択する必要があるときは、少なくともピクセルに関する限り、「多くて大きいほど良いとは限らない」ということを覚えておいてください。