TAKEX ソリューションセミナー 2013 新世代 CMOS センサ搭載カメラを用いた産業用カメラソリューションのご提案竹中システム機器株式会社カメラ事業部 2013 年 1 月 25 日 ( 金 ) 1

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せいたかひ
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1 TAKEX ソリューションセミナー 2013 新世代 CMOS センサ搭載カメラを用いた産業用カメラソリューションのご提案竹中システム機器株式会社カメラ事業部 2013 年 1 月 25 日 ( 金 ) 1

2 このプレゼンテーションプレゼンテーションでは昨今の産業用カメラとして CMOS イメージセンサを搭載したカメラがトレンドとなって来つつあります本プレゼンテーションでは産業用カメラの撮像素子として 2 大方式である CCD イメージセンサと CMOS イメージセンサについてそれらの相違点と長所短所についてまとめまた新世代の CMOS イメージセンサを搭載したカメラの注目点をご説明致しますまた弊社の CMOS イメージセンサ搭載型カメラの新製品ラインアップについて説明させて頂きます 2

3 CCD 方式カメラと CMOS 方式カメラの比較 3

ラインスキャンカメラの目として欠かす事が出来ないものとなっていますこれらイメージセンサの方式には大別して CCD

4 CCD 方式イメージセンサイメージセンサと CMOS 方式イメージセンサ画像データを電気信号として捉える半導体イメージセンサは今やデジタルカメラやビデオカメララインスキャンカメラの目として欠かす事が出来ないものとなっていますこれらイメージセンサの方式には大別して CCD (Charge Coupled Device) CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor ) の 2 大方式が存在しこれらが現在の主流となっています 4

CCD イメージセンサの動作原理 Charge Coupled Device ( 電荷結合素子 ) 方式のイメージセンサは画素単位にフォトダイオードで蓄積されたアナログ電荷がバケツリレー方式で次々と伝送されてゆく機構を備えています元来このバケツリレー方式で電荷を順次転送する部分を CCD と称します CCD を応用した素子にはイメージセンサ以外でも

5 CCD イメージセンサの動作原理 Charge Coupled Device ( 電荷結合素子 ) 方式のイメージセンサは画素単位にフォトダイオードで蓄積されたアナログ電荷がバケツリレー方式で次々と伝送されてゆく機構を備えています元来このバケツリレー方式で電荷を順次転送する部分を CCD と称します CCD を応用した素子にはイメージセンサ以外でも例えばアナログ信号の遅延素子としても利用されて来ました CCD イメージセンサはフォトダイオードと露光電荷の蓄積部分を備えここで蓄積された電荷を CCD で転送し順次出力してゆく働きを備えています露光電荷はトランスファゲートと呼ばれる電子的なスイッチで一斉に CCD に転送され 1 画素クロック毎に出力アンプに転送される事で信号出力として取り出されます 5

6 CCD イメージセンサの動作原理フォトダイオードを 1 ラインに並べてやはり 1 ラインの CCD で電荷転送する撮像素子がラインセンサで一次元の画像信号を出力する事が出来ますまた水平方向と垂直方向の二次元に並べ垂直転送 CCD と水平転送 CCD を設ける事でエリアセンサとなります 6

7 CMOS イメージセンサの動作原理 CMOS 方式のイメージセンサは一次元または 2 次元に配列されたフォトダイオードアイの電荷をアドレシングにより順次読み出して画像信号を得る方式です CCD 方式の様に電荷を順次転送してゆく構造は持っていませんアドレスに対応したセルのレベルを読み出す 7

8 各イメージセンサイメージセンサ方式方式の長所長所と短所 CMOS 方式のイメージセンサは古くから存在しましたしかしごく最近まで産業用カメラのセンサとしては CCD 方式のものが圧倒的に多数派であり CMOS 方式のイメージセンサを用いた製品は希でしたその理由は何だったのでしょう? そこでここではまず各方式の長所と短所について考えてみましょう 8

CCD イメージセンサの長所長所と短所長所感度画質露光同時性低照度まで使用する事が出来高感度であるパターンノイズが少ないトランスファゲート ( 露光電荷を転送部に送り込むスイッチ ) の開閉が全ての画素で同時となるので全画素の露光タイミングが一致する写真右側はパターンノイズが多い画像の例です短所消費電力動作速度集積度スミアコスト

9 CCD イメージセンサの長所長所と短所長所感度画質露光同時性低照度まで使用する事が出来高感度であるパターンノイズが少ないトランスファゲート ( 露光電荷を転送部に送り込むスイッチ ) の開閉が全ての画素で同時となるので全画素の露光タイミングが一致する写真右側はパターンノイズが多い画像の例です短所消費電力動作速度集積度スミアコストアナログシフトレジスタ ( CCD ) の駆動に15V 程度の高い電圧が必要でこれを高速で駆動する為に消費電力が大きいアナログシフトレジスタの高速駆動が難しい独特の製造プロセスが必要でありサンプルホールド回路やA/D コンバータを1チップ上に同居させる事が出来ないまた多タップ化が難しい転送部に光が入り込み縦線などのノイズが発生電源系統や周辺回路部品が多くコスト高 9

10 CCD イメージセンサ特有特有の障害障害の例スミア現象電荷転送部 (CCD= アナログシフトレジスタ ) は通常アルミ蒸着膜などで遮光が施されており光の照射による露光電荷の発生は抑えられていますしかし光の強度が極めて強い場合は遮光膜を透過したり他の部分から回り込んだりすることで露光電荷を発生させてしまいます特にエリアセンサでは垂直転送部に入光した光の影響で主に縦筋状の特有な輝線ノイズが発生します 10

CMOS イメージセンサの長所長所と短所長所消費電力動作速度集積度スミアコスト 3V 程度の単一電源で動作また電荷転送の駆動回路が不要なので消費電力が少ない高電圧高負荷の駆動部がなくまたパターンの微細化や多タップ (= 多チャンネル ) 化で高速動作が可能サンプルホールド回路やA/Dコンバータと同一プロセスで製造可能これらの機能を1チップ上に同居させる事が出来

11 CMOS イメージセンサの長所長所と短所長所消費電力動作速度集積度スミアコスト 3V 程度の単一電源で動作また電荷転送の駆動回路が不要なので消費電力が少ない高電圧高負荷の駆動部がなくまたパターンの微細化や多タップ (= 多チャンネル ) 化で高速動作が可能サンプルホールド回路やA/Dコンバータと同一プロセスで製造可能これらの機能を1チップ上に同居させる事が出来多タップ化も容易転送部がないので原理的に発生しない単一電源周辺部品の削減で低コスト左の図は多タップ化の例です複数のタップ ( 取り出し口 ) から信号を並列的に取り出す事で高速に読み出す事が出来ます短所感度低照度時の画質が劣る画質画素毎のアンプのバラツキによるパターンノイズが多い露光同時性従来型の露光方式 ( ローリングシャッタ ) では画素間で最大 1フレーム時間の露光タイミングのズレがある為動体の画像が歪む 11

下の右側の写真は回転する扇風機の羽根を捉えていますが左の正常な画像と比較して羽が変形して捉えられている事がわかります

12 CMOS イメージセンサの障害障害の例ローリングシャッタ歪み従来の CMOS 方式のイメージセンサを搭載したカメラでは画素間に最大 1 フレーム時間の露光タイミングのズレが発生します下の右側の写真は回転する扇風機の羽根を捉えていますが左の正常な画像と比較して羽が変形して捉えられている事がわかります右側の写真ではローリングシャッタによる歪みが見られますこのローリングシャッタによる歪みの問題を解決する為に導入された読出し方式をグローバルシャッタと呼びこの方式では全画素の同時露光が可能となります 12

13 今何故 CMOS カメラなのか? 13

14 14 見えてえてえてえて来た CCD CCD CCD CCD イメージセンサイメージセンサイメージセンサイメージセンサの限界限界限界限界一貫した市場ニーズの方向よりよりよりより高解像度高解像度高解像度高解像度のカメラカメラカメラカメラをよりよりよりより高速動作高速動作高速動作高速動作が出来出来出来出来るカメラカメラカメラカメラをよりよりよりよりローコストローコストローコストローコストでこれらはカメラ製品に求められる一貫した市場ニーズといえます CCD 方式のイメージセンサメーカーは長年に渡ってこの市場ニーズに応えるデバイスを供給し続けて来ましたが近年になってついにその限界点が見え始めて来ました

の負荷容量は大きく汎用のドライバ IC を使用して数十 MHz の高速な波形を歪みなく駆動する事は容易ではありませんまた

15 見えてえて来た CCD イメージセンサの限界クロック速度の限界 CCD 方式のイメージセンサでは露光して得られた電荷を高速のクロック信号のタイミングで転送する必要があります CCD の負荷容量は大きく汎用のドライバ IC を使用して数十 MHz の高速な波形を歪みなく駆動する事は容易ではありませんまた高速クロック信号での CCD 駆動は回路技術的に大変難しいだけでなく大きな電力を消費します多タップ化の限界読出し速度の高速化にあたってクロック信号の上限の問題を解決する一つの手法としてイメージセンサの領域を複数に区切り複数の出力を同時並行的に読み出す方法があります CCD 方式の場合はそもそも素子の多タップ化が難しい事もありますがサンプルホールドや A/D コンバータを同一チップ上に構成できない為周辺回路がタップの数だけ大規模になります 15

16 見えてえて来た CCD イメージセンサの限界消費電力と発熱の問題 CCD イメージセンサを高速化する上で高負荷容量の高速駆動周辺回路の増大は CCD イメージセンサ本来の複数系統の高い駆動電圧も相まって消費電力の大幅な増大を加速させます消費電力の増大は省エネ上の問題だけではなく発熱による熱雑音や暗電流の増加機構部品や架台の熱膨張による精度の低下カメラ内部部品の寿命への悪影響冷却装置の必要性によるコストアップなど多くの問題を引き起こします 16

17 CMOS イメージセンサの進化近年高画素高速動作の両立を目指すカメラを実現する為の新しいソリューションとして注目され始めたのは急速に進化を遂げつつある CMOS 方式のイメージセンサですここからは高画素高速動作しかもローコストの市場ニーズを満たす新しい CMOS 方式イメージセンサの特長について説明致します 17

CMOS イメージセンサの進化高集積化の恩恵 CMOS 構造の集積回路は半導体メモリや CPU FPGA などで用いられている半導体製造技術で本来高集積化に適しています CMOS 素子は構造を微細化する程基本構造であるトランジスタのゲート容量が減少する事で高速動作が可能となり消費電力も同時に低減するという性質があります日進月歩の CMOS 製造プロセスの微細化の恩恵を受けて CMOS

18 CMOS イメージセンサの進化高集積化の恩恵 CMOS 構造の集積回路は半導体メモリや CPU FPGA などで用いられている半導体製造技術で本来高集積化に適しています CMOS 素子は構造を微細化する程基本構造であるトランジスタのゲート容量が減少する事で高速動作が可能となり消費電力も同時に低減するという性質があります日進月歩の CMOS 製造プロセスの微細化の恩恵を受けて CMOS イメージセンサの性能は大きく進化しました高速動作高速クロック動作 3V 程度の低電圧で駆動出来るのでより高速で画像信号を読み出せますまた LVDS インターフェースを装備する事で後段の処理回路 (FPGA など ) へより高速で画像データを送出することが可能となりました多タップ化 CMOSイメージセンサではCCDの様に電荷転送路を配置する必要がないので比較的自由に受光面を分割する多タップ化が可能です上のグラフは CMOS プロセスの微細化の推移を示します画素クロック 80MHz 8 タップのセンサ出力でデータレート 640MHz を実現した TL-16000CL 18

信号読出し中にも露光を並行して行える様にしますそして全画素に渡って露光部分での電荷蓄積の開始と終了時刻を一致させる事で CCD イメージセンサと同じ様に全画素同時露光の画像信号を得る事が出来ます

19 CMOS イメージセンサの進化周辺回路の取り込み A/D コンバータやサンプルホールド回路 LVDS インターフェースなどの周辺回路機能をオンチップでイメージセンサに取り込む事が可能となりましたカメラに搭載した際周辺回路の部品点数が劇的に低減されローコスト化小型化高信頼化に大きく貢献しますグローバルシャッタ機能単位セル内に露光電荷を蓄積する部分と読出し電荷を保存する部分を別々に持たせ信号読出し中にも露光を並行して行える様にしますそして全画素に渡って露光部分での電荷蓄積の開始と終了時刻を一致させる事で CCD イメージセンサと同じ様に全画素同時露光の画像信号を得る事が出来ますこれがグローバルシャッタと呼ばれる機能で従来の画素間の露光時間にズレがあるシャッタ方式はローリングシャッタと呼ばれます産業用のカメラ用途として動体を撮影したときにも画像歪みを生じないグローバルシャッタは必須の機能と云えます 19

CMOS イメージセンサの進化高感度と高画質化近年の産業用 CMOS イメージセンサでは従来短所であった感度の低さや固定パターンノイズの問題も克服されつつあります画素毎のオンチップレンズの実装や CDS(Correlated Double Sampling: 相関二重サンプリング )

20 CMOS イメージセンサの進化高感度と高画質化近年の産業用 CMOS イメージセンサでは従来短所であった感度の低さや固定パターンノイズの問題も克服されつつあります画素毎のオンチップレンズの実装や CDS(Correlated Double Sampling: 相関二重サンプリング ) の導入などですまた高集積化が可能なのでメーカー各社でユニットセル内のトランジスタを追加した高画質化の為の様々な工夫が行われています CDS(Correlated Double Sampling: 相関二重サンプリング ) CCD 撮像素子では従来から用いられて来たパターンノイズを低減する為の回路技術です 20

21 そこで再び今何故 CMOS カメラなのか? 21

22 今何故 CMOS カメラなのか? についての解答高解像度高速動作の両立グローバルシャッタによる同時露光 CCD 方式に遜色のない感度と画質スミアレス低消費電力小型化ローコスト 22

23 竹中システム機器製 CMOS イメージセンサ搭載カメラのご紹介 23

24 16,384 画素スキャンレート 35kHz カメラリンク出力業界最高レベルの有効画素数 16,384 画素高速動作スキャンレート 35 khz データレート 640MHz グローバルシャッタ機能 FFC 機能搭載アンチブルーミング機能搭載低消費電力液晶パネル検査シート状製品の検査プリント基板の検査など 24

25 FFC 機能についての解説 TL-16000CL など弊社製の CMOS イメージセンサ搭載型ラインスキャンカメラには固定パターンノイズの影響を除去するために FFC (Flat Field Correction) と呼ばれる機能が搭載されていますこの機能は初期設定において実際の光学系を用いた使用状態でカメラに一様な被写体画像を取り込みそのデータを元に一様なレベルが出力されるよう各画素ごとの補正パラメータを保存しておきその画素ごとのパラメータを用いて画素単位で補正演算を行い出力するものです FFC :OFF FFC :ON 25

26 8,192 画素スキャンレート 35kHz カメラリンク出力高速動作スキャンレート 35 khz データレート 320MHz 7μmスクエアの大型画素サイズで高画質グローバルシャッタ機能 FFC 機能搭載アンチブルーミング機能搭載低消費電力液晶パネル検査シート状製品の検査プリント基板の検査など 26

27 8,192 画素スキャンレート 43kHz カメラリンク出力高速動作スキャンレート 43 khz データレート 400MHz 高解像度レンズのバリエーションが豊富な Fマウントを採用グローバルシャッタ機能 FFC 機能搭載アンチブルーミング機能搭載低消費電力小型軽量液晶パネル検査シート状製品の検査プリント基板の検査など 27

(FCM4MPL/FSM4MPL) グローバルシャッタ機能非給電式 Camera

28 200 万画素 /400 万画素高速動作高速動作 340 fps (FCM2MPL/FSM2MPL) at Camera Link 10TAP 180 fps (FCM4MPL/FSM4MPL) at Camera Link 10TAP 高解像度 200 万画素 (FCM2MPL/FSM2MPL) 400 万画素 (FCM4MPL/FSM4MPL) グローバルシャッタ機能非給電式 Camera Link/ 給電式 PoCL の両規格に対応可能低消費電力製品の形状検査 ITS 用途ハイエンド監視用途など 28

29 終わりに今回は産業用ビデオカメラのトレンドとなっている高性能 CMOS センサを搭載したカメラについて説明させて頂きました進化した産業用カメラ弊社製 CMOS センサ搭載型カメラ製品の導入を是非ご検討ください今回ご紹介致しました製品は弊社展示ブースで実物を展示致しておりますこの機会に是非お立ち寄りの上ご覧ください 29

30 ご静聴ありがとうございました T A K E X ソリューションセミナー

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TAKEX ソリューションセミナー 2013 新世代 CMOS センサ搭載カメラを用いた 産業用カメラソリューションのご提案 竹中システム機器株式会社 カメラ事業部 2013 年 1 月 25 日 ( 金 ) 1

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