フレームトランスファーCCDとは？高感度と高速撮影を実現するイメージセンサ技術
フレームトランスファーCCDは、光を受け取る部分と電荷を一時的に保管する部分が分かれて配置されたイメージセンサです。
受光部で蓄積した電荷を高速で保管部へ転送してから読み出すため、外部シャッター不要で高速撮影が可能です。
天体観測など微弱光の撮影に適しており、感度と信頼性の高い性能が魅力です。
フレームトランスファーCCDの基本原理
構造の概要
受光部と蓄積部の役割
フレームトランスファーCCDは、次の2つの領域で構成されています。
- 受光部：光を取り込んで電荷に変換する部分
- 蓄積部：受光部から転送された電荷を一時的に保持する部分
この構造により、受光部が高い光の取り込み効率を実現し、微弱な光でも十分な電荷を蓄えることが可能になっています。
電荷転送の仕組み
受光部で蓄えた電荷を高速で蓄積部に移す技術が採用されています。
- 露光中に受光部で生成された電荷が、露光時間の終了とともに
- 高速転送によって、蓄積部に移される
- 蓄積部に集められた電荷は、順次読み出し回路を介してデジタル信号に変換される
この仕組みにより、露光と読み出しのタイミングが分離され、露光中のノイズの混入を抑える効果が得られます。
性能と特長
高感度撮影の実現要因
受光部が広い面積をもって光を集めるため、微弱な光でも十分な電荷が生成されます。
また、受光部と蓄積部が分離して配置されることで、読み出し中に再び光が影響することが防がれるため、暗いシーンでも高感度な撮影が可能になります。
- 受光部の高い開口率
- 読み出し時の外部光の影響を抑える構造
高速撮影が可能な理由
高速撮影においては、電荷の転送速度と読み出し回路の性能が要求されます。
フレームトランスファーCCDはこの両面に工夫が施されているため、連続した高速撮影にも対応できます。
外部シャッター不要の効果
外部シャッターを用いずに露光と読み出しを分離することで、構造自体で露光中のブレやノイズを低減させるメリットがあります。
- シャッター機構が不要になる
- 機械的なトラブルや振動のリスクが下がる
読み出し速度の向上
高速な電荷転送と並列な読み出し回路の設計により、1フレームあたりのデータ収集が迅速に行われます。
- デジタル変換の高速化
- 連続撮影時の映像の途切れを防ぐ設計
活用事例
天体観測での利用
天体観測では、遠い星や惑星の微弱な光を捉える必要があります。
フレームトランスファーCCDの高感度と外部シャッターが不要な設計が、以下の点で役立っています。
- 微弱な星光も正確にキャッチ
- 長時間露光時のノイズ低減による高い再現性
工業分野およびその他の応用
工業用の高速検査システムや医療分野のイメージング機器にも採用されています。
- 生産ラインの高速検査における欠陥検出
- 医療画像での微細な変化の捉え方
その他、以下のような分野でも応用が見込まれます。
- セキュリティカメラでの低照度撮影
- ドローンや自動運転用センサへの導入
技術の課題と今後の展望
製造コストおよび解像度の課題
受光部と蓄積部を並列配置するため、シリコン面積が増加し、製造コストが上がりやすい。
また、画素サイズが大きくなる傾向があり、高解像度撮影には限界が出る可能性があります。
- 製造プロセスの高度化によるコストの圧縮
- 解像度向上のための新しい設計手法の模索
次世代技術への期待と展望
今後、さらなる高速化と高感度化を目指す技術革新が期待されます。
最新の半導体技術と組み合わせることで、次世代デバイスとしての可能性が広がります。
- 微小構造技術の向上
- 低消費電力と高性能の両立を追求
まとめ
フレームトランスファーCCDは、受光部と蓄積部の分離構造により高感度と高速撮影を実現しています。
その設計は、微弱な光を捉える天体観測や高速検査の現場に適しており、外部シャッターの必要がなく、撮影中のノイズが抑えられます。
一方で、製造コストや解像度の面での課題も抱えるため、次世代技術との融合による改善が期待されます。