センサー技術の進化:カメラセンサーの歴史をたどる旅

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この記事では、過去25年間に達成されたマイルストーンに焦点を当てながら、いくつかのクラシックなカメラセンサー技術を振り返ります。

CCDセンサー


CCD(電荷結合素子)センサーは、初めてコンシューマー向け製品で手ごろな価格で印象的な結果を提供しました。CCDは一度に1つのピクセルを読み取り、チャージを1つのピクセルから次のピクセルに転送します。読み取り速度はチップにかかる電流に依存し、高速読み取りには相当な電力消費が必要です。しかし、消費者用カメラの電力制限により、CCDの遅い読み出し速度はリアルタイムのビューファインディングを遅くしました。1990年代中頃から2010年代初頭まで、CCDセンサーは初期のデジタルカメラ市場の基盤となりました。この間、CCD技術は進化し、性能が向上しました。
CCDセンサーは初期のデジタルカメラの開発を支え、ここでは「Nikon Coolpix 995」で示されています。
Nikon Coolpix 995

スーパーCCD


CCD技術の「派生」として、富士フイルムのスーパーCCD技術も言及に値します。これは主に各ピクセルごとに大きな光電素子と一部遮蔽された光電素子を使用します。富士フイルムのS3 Proのセンサーは、スーパーCCD技術を採用しており、その動的レンジは同時代のカメラを大きく上回ります。ただし、高ISOの状況では一部遮蔽された光電素子の存在が画像品質に影響を及ぼす可能性があります。
Fujifilm FinePix S3 Pro」は、スーパーCCDを搭載した非常に象徴的なカメラです。

Fujifilm FinePix S3 Pro

スーパーCCD EXR


富士フイルムはさらにスーパーCCDをスーパーCCD EXRに発展させました。それはピクセル行をわずかにオフセットし、ベイヤーフィルターパターンをペアの行で繰り返しました。これにより、一つのモードでフル解像度を提供し、別のモードでは低照明や高ダイナミックレンジモードを提供することができました。この技術は現在のクアッドベイヤーまたはテトラセルセンサーと類似点を共有していますが、もはや使用されていません。

CMOS技術


一方、CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技術も進化していました。CMOSセンサーは、各ピクセルからの情報を回路を介して送信します。これにより、個々のピクセルの電荷情報が他のピクセルを通過する必要がなく、充電の転送が速く、消費電力も少なくなります。CCDセンサーに比べてCMOSセンサーはコスト効果が高いです。キヤノンの2000年に発売されたD30 APS-C DSLRは、CMOSセンサーのデビューを飾りました。その後の数年間で、CMOSセンサーの性能は向上し、印象的な高ISO性能が称賛されました。

2003年に発売された「 Canon EOS 300D」は、$1000未満で購入できる初のCMOSセンサー搭載のDSLRでした。

Canon EOS 300D

初期の段階では、小さなセンサーを使用するコンパクトデジタルカメラは特に成功しなかったため、多くのカメラが引き続きCCDセンサーを使用しました。以下に示す「 Olympus XZ-1 digital camera」はその一例です。

Olympus XZ-1 digital camera

 Foveon X3センサー


Foveon X3センサーは、最も有名なベイヤーフィルター非採用のセンサーの一つとして際立っています。基本的にはCMOSセンサーですが、カラーフィルターをスキップしています。代わりに、各ピクセルごとに光電子の三つの深度をキャプチャし、波長に基づいて色情報を組み合わせます。これを設計することは難しく、特に深赤層の場合、ノイズの問題がありました。これはより優れた解像度を提供しましたが、高ISOでより多くのノイズが発生しました。

Foveon X3センサーを搭載した最初のカメラは「Sigma SD9.」でした。

Sigma SD9

バックイルミネーションセンサー


Canon EOS 5D Mark IIによって導入された高解像度ビデオ撮影機能とその後のミラーレス時代の到来に伴い、CMOSセンサーの読み出し速度はますます注目されるようになりました。特に大きなセンサーを使用するカメラでは、リアルタイムのフレーミングにおいて高速な読み出し速度が重要です。2009年に、業界はスマートフォンやコンパクトカメラで使用される小さなセンサー向けに初めて開発されたバックイルミネーション(BSI)センサーを導入しました。BSIセンサーの製造方法は既存の設計と類似しており、主にセンサーの「裏」を光受信に使用します。これにより、電気配線と回路を担当する各ピクセルの前部が取り除かれ、各ピクセルの光吸収能力が向上します。ただし、この技術の利点は大きなセンサーには特に顕著ではありません。そのため、最初はカメラセンサーへの適用が制限されました。

CMOS技術は引き続き進化しています。たとえば、新しい設計ではセンサー内により多くのアナログ-デジタルコンバータ(ADC)を配置することができ、これらのADCはピクセルに近づけることができます。これにより、読み出し中の電子ノイズが最小限に抑えられます。ADCが生成するノイズは、その動作速度に一部よって決まるため、多数のADCを持つことは各ADCを極端に高速で動作させる必要がないため、ノイズレベルを増加させることなく高速データ読み出しが可能です。

バックイルミネーション(BSI)センサー技術は、2014年を基点に大きなカメラセンサーに適用されるようになりました。大きなセンサー内の個々のピクセルはより多くのスペースを占めるため、BSI技術における「配線」部分を改善するためのピクセルの割合は小さくなります。したがって、BSI技術が大きなセンサーで画質を向上させる影響は比較的限られています。ただし、アップグレードが行われました。まず、ピクセルの光受信角度の改善が実施され、センサーのエッジ品質が向上しました。次に、配線をピクセルの裏に移動することで、より複雑な回路を実現できるようになりました。これにより、ADCの数をさらに増やすことができ、ノイズを増加させることなく高速なデータ読み出しが可能になります。

約10年後でも、バックイルミネーションセンサーの使用は特に広がっていません。これは、画質の大幅な向上をもたらしていないためです。

Sony RX100シリーズ」のようなデジタルカメラでも、バックイルミネーションセンサーによってもたらされる画質向上はまだ限定的です。

センサーの開発の物語は、SonyやCanonに限られるものではありません。実際に、バックイルミネーションセンサー技術をAPS-Cフォーマットのカメラに最初に適用したのはSamsungでした。2014年に発売された「Samsung NX1」は、APS-Cフォーマットの中にバックイルミネーションセンサーを搭載したカメラでした。

Samsung NX1

デュアルゲイン技術


デュアルゲインセンサーはダイナミックレンジを向上させます。最初にNikon 1シリーズで見られ、各ピクセルに複数の読み出しモードを提供し、低ISOでのダイナミックレンジを最大化し、高いISOでのシャドウ性能を向上させます。Sonyはこれを統合してダイナミックレンジを向上させつつ、高いISO性能を向上させました。

Sony α7S 」は優れた高いISO性能を持っています。

Sony α7S


スタック型センサー


スタック型CMOSは、最新の技術で、BSIを基にしています。別々の半導体層は回路を介して接続され、複雑な回路を可能にします。これは難しい技術であり高価ですが、データ処理を向上させます。カメラメーカーはこれをカメラ内のキャッシングに使用し、並列画像キャプチャの向上と高速な読み出しを実現します。

「 Nikon Z9」のセンサースピードは十分に高速で、オール電子シャッターを可能にしています。さらに、全解像度画像用とオートフォーカスおよびリアルタイムフレーミング用に別々のバッファを提供しています。ただし、これはスタック型センサー技術の可能性の一端に過ぎないかもしれません。Nikon Z9

まとめと分析


現在、ほとんどの一般向けのカメラにおいて、センサーの性能は一般的に素晴らしいものです。これらのセンサーは、基本ISO設定で優れたダイナミックレンジ性能を提供し、高いISOレベルでも、本来のフォトンノイズを除いて、電子ノイズは大幅に減少しています。ただし、まだ大規模な技術的な飛躍からは遠いです。将来的には、さらなる進歩により拡張された低いISOレンジが画質をさらに向上させるために可能となるか、色再現の精度を向上させるための突破口が生まれるかもしれません。

 



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