CCDイメージセンサの基礎

CCD イメージセンサ の基礎

目次 Ⅰ イメージセンサーとは Ⅱ 光電変換 Ⅲ 信号の取り出し

Ⅰ イメージセンサとは 1 / 13

Ⅰ イメージセンサとは 2 / 13

Ⅱ 光電変換 光電効果 … 入射した光のエネルギーを吸収して、物質や物質を構成する原子に束縛 されている電荷を解き放つ現象 出典： http://www.phys.u-ryukyu.ac.jp/WYP2005/koudenpamph.html 3 / 13

Ⅱ 光電変換 光電効果には外部光電効果と内部光電効果の2種類があるが、半導体を用いたCCD イメージセンサは内部光電効果のみを利用して信号電荷を得ている 外部光電効果…光が持つエネルギーによって価電子帯の電子が外界に飛び出す現象 出典： https://www.try-it.jp/chapters-8806/sections-8807/lessons-8812 4 / 13

Ⅱ 光電変換 半導体の一種であるSi単結晶はエネルギーバンドを形成し、電子のとりうるエネルギー 準位が価電子帯と伝導帯の二つに分かれる 出典：https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/knowledge/e-learning/basics-of-schottky-barrier-diodes/chap1/chap1-2.html 5 / 13 https://semi-journal.jp/basics/beginner/band.html, https://youtu.be/AkLg2Zct_so

Ⅱ 光電変換 内部光電効果 … 固体の内部で電子のとりうるいくつかのエネルギー準位のうち、 エネルギーの低いほうにある電子が光子のエネルギにより高いほうに励起される現象 1.1eV 出典： https://www.jstage.jst.go.jp/article/itej/68/1/68_63/_pdf 6 / 13

Ⅱ 光電変換 E : 光子が持つエネルギー[J] h : プランク定数(6.626x10-34)[Js] ν: 光の振動数[Hz] 1Jは1Cの電荷を1Vの電位差だけ進ませる c : 光速(2.998x108)[m/s] Eの単位をJからeVに → EをC(電荷量)で割る q : 電荷量(1.602x10-19)[C] λ: 光の波長[m] λの単位をmからnmにしたいので10-9かけてそれぞれの値を代入すると 以上により波長λ[nm]の光の光子エネルギーEは1240/λ[eV]で与えられる 7 / 13

Ⅱ 光電変換 Si単結晶で光電変換できる光の波長は最大約1100nm 人間が目で感じることができる可視光(λ≒380～780nm)の波長はそれより 短いのでSi単結晶で可視光線全てを光電変換することが可能 ちなみに780～1100nmは赤外線を含むので、カメラ越しにテレビの リモコンの送信口を見ると光って見える ただ最近のスマホはIRカットフィルターが搭載されているため見えないらしい? 出典：https://kaden.watch.impress.co.jp/cda/word/2008/11/21/3196.html https://www.my-craft.jp/html/aboutled/led_hachou.html, https://phys-edu.net/wp/?p=24304 8 / 13

光電変換 Ⅱ 半導体に光が吸収される際、光子のエネルギーが電子のエネルギーなどに置き換わる Si単結晶では全ての光が結晶表面で吸収されるわけでは なく、結晶の中に入り込みながら、徐々に吸収される Siの中を強さIの光が距離dx進む間に減衰する量dIはその 物質の光に対する吸収係数をαとして で表される。また物体表面で反射がないものとし、 結晶表面の光強度をI0とする 1. 1. 1. 色々公式たち: 2. 3. 2. 4. 5. 3. 2. 3. 9 / 13

光電変換 Ⅱ 式より光強度Iの深さ方向xの分布は指数関数に従う 光が減衰した分が表面と深さの間で吸収された光 色 波長 [nm] 光の半分が吸収 される深さ [μm] 紫 400 0.093 青 460 0.32 緑 530 0.79 黄 580 1.2 橙 610 1.5 赤 700 3.0 10倍差 出典： https://www.jstage.jst.go.jp/article/itej/68/1/68_63/_pdf 10 / 13

Ⅲ 信号の取り出し FHDだと 約200万本 1920本 必要 11 / 13

Ⅲ 信号の取り出し テレビがどうやって信号を出力しているかを考えてみる 電子を半導体の表面に沿って移動する機能を持つ CCDを使って、光電変換で得られた電子を運び、 そこで電子の数に比例した電圧に変換して信号を出す つまりCCDイメージセンサは以下の働きを行う 1. 2. 受光した撮像面で光電変換が行われ電荷を発生 発生した電荷は撮像面を走査して信号の取り出し 2つの機能がCCDイメージセンサを成り立たせている 出典: https://jp.fujitsu.com/family/familyroom/syuppan/family/webs/digital/index6.html 12 / 13

まとめ イメージセンサは光電変換と走査という２つの基本概念によって成り立っている Si単結晶での光電変換は以下の性質を持つ - 光電変換により撮像面に照射された光のエネルギーを受けて電荷を得る 捉えられる光の波長は1100nm以下である必要がある 赤の光が吸収される深さは青い光に比べて約10倍必要 また光電変換により発生した電荷は電流となって現れるか蓄積され 映像信号として出力される 映像信号はCCDを使って撮像素子を走査し 電荷に応じた電圧に変化することで 画像を出力している 出典: https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device 13 / 13