CCDに関する質問

質問

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CCDとCMOSの原理が知りたくてこの本を読んでみたのですが、いくつか質問させて下さい。

・CCDではフォトダイオードにより検出した光電流を電荷としてバケツリレーしてコンデンサまで運ぶことで電圧に変換します。このバケツリレーというのは順番に並べたMOS構造に４相パルスを入れることで行うことで行いますが、なぜこのようなことを行うのでしょうか？普通に導線でフォトダイオードとコンデンサ或いはIVアンプに接続するだけでは何が問題なのでしょうか？

・それとCCDでは複数あるフォトダイオードに対して電荷を電圧に変換するコンデンサは一つしかありませんが、これはそれぞれの画素を順番に時間差をつけることで検出しているのでしょうか？例えば400万画素のCCDで１秒間の露光だとすると、250ナノ秒に1パルスという極めて短い時間で一つ一つのファとダイオードからの信号を検出する必要があるように思うのですが、本当にそのようなことをしているのでしょうか？電荷を電圧に変換するコンデンサを一つではなく複数配置すればもっと高速且つ高画素な検出が可能になるように思うのですが、なぜそのようなことをしないのでしょうか？

回答No.1

mtaka2 · ベストアンサー

「普通に導線でフォトダイオードとコンデンサ或いはIVアンプに接続」する方向で作られたのが、いわゆるCMOS素子です。
400万画素の素子だったら、400万個のアンプも用意してフォトダイオードと一緒に配置しています。

その各画素が受け取った情報の取り出し方法ですが、CCDでもCMOSでも、基本的には一画素ずつしか画素情報を取り出すことはできません。
400万画素の全ての情報を取り出そうとしたら、400万本の配線が必要になりますし、
「横一列全部」を一度に読み出す程度でも、1000本以上の配線が要ります。
結局、情報を外に取り出すには、配線数の問題から、1画素ずつ情報を読み出すしかないのです。

CMOSの場合でも、個々の画素にアンプまで入ってますが、どの画素からの信号を取り出すかを選ぶために、アンプの先にスイッチが入っています。
結局、CMOSでも順番に情報を取り出しているのです。

で、まず「順番に取り出す」という機能的要求が先にあり、
そういった機能を実現する方法として、
CCDという素子が、撮像デバイスに使われるようになったのです。

CCDの場合、CCD自身が電荷をためる「コンデンサ」の役割も果たします。
1秒の露光なら、まず一秒間、全ての画素で、フォトダイオードから
CCDに電荷を充電させます。
充電(フォトダイオードからの電荷の流れ)を止めてから、
次に、CCD本来の機能である「バケツリレー」を動作させることで、
たまった電荷を順次外部に取り出すことができるのです。

CCDは「コンデンサ」と「情報を順次取り出していくスイッチ」と両方との役割を果たす便利な素子なのです。