CCD撮像素子

CCDは、フォトダイオードという部品を組み合わせて作られる。

フォトダイオードは光電効果を利用して光を電荷に変える電子部品である。

このフォトダイオードが、表示されたCCDの画素数分、並べられている。例えば400万画素のCCDであるなら、フォトダイオードは400万個並べられていることになる。

フォトダイオードが発生された電荷が画像の情報になるため、これを読み取らなければならない。しかし、一つの画素より得られる電荷は極めて微弱であるため、アンプで増強しなければ電気信号として扱えない。

ところが、この素子は極めて小さいこともあり、全素子に結線しアンプに繋げるようなことは不可能である。ただCCDの一部の電位だけを変化させることは可能で、この特徴を利用して、バケツリレー方式でアンプへと電荷を移動させる。

スーパーCCDハニカムのような例外はあるが、基本的にCCDはフォトダイオードを格子状に並べている。例えば横方向に1,600個、縦方向に1,200個並べてあれば、192万画素ということになる。

また電荷の転送はバケツリレーとなるため、必要な回数繰り返す必要もある。そこでCCDは効率良く読み取れるように、電荷を溜める撮像部は水平に並べられ、その端に垂直にCCDを接続する構造となっている。

垂直転送用CCDを一回垂直方向に移動すると、端の1行分が水平転送用CCDに移動することになる。次にこれを全てアンプ部(増幅器)へと移動させ1画素ずつ読み取る。これを繰り返すと、一画面分の全画素が読み取れることになる。

転送は順序良く且つ何度も繰り返さなければならないため、どうしても読み取りに時間がかかってしまうという難点がある。

CCDのバケツリレーの特性から、何も対策を取らなければスミアと呼ばれる現象が発生する。太陽など光の強いものを撮影した時、その部分に縦に白い帯が発生してしまう現象である。

これは、垂直転送用CCDが縦に並べられていることによるものである。

あまり強い光を受けてしまうと電荷が発生し過ぎ、溢れてしまうことになる。溢れた分は垂直転送分の他の画素に追加されてしまうため、本来光が入っていない筈の部分まで真っ白になってしまう。これがスミアである。

スミアを防ぐためには、光が溢れる前に光を遮る機構が必要で、つまりメカニカルシャッターが必要となる。

具体的には、銀塩カメラの場合はレンズとフィルムの間にシャッター(板)が置かれており、その開閉で露光をする。これがメカニカルシャッターである。一方、CCDの場合はフィルムと違って撮影時以外に露光していても何の問題もないことから、シャッターは不要と考えられた。CCDの使い方そのものがシャッター的機能を持つということで、電子シャッターとも呼ばれる。

だが近年のCCDカメラでは、スミアを防ぐために補助的にメカニカルシャッターを採用する機種が多い。

そのサイズの呼称には、撮像管時代のイメージサークルの呼称でインチ表示を使用することがある。

例えば民生用CCDでは、2/3インチCCD、1/2インチCCD、1/3インチCCD、1/4インチCCD、などといったものがあるが、この「サイズ」は、実際のCCD素子の寸法とは全く関係がない。

かつて、ビデオカメラ等ではビジコン管やサチコン管などの撮像管、つまり真空管が使われていた。そしてその直径はインチで表記されていた。これがCCDに移行するにあたり、光学部品の規格変更を避け撮像管時代の規格をそのまま使えるよう配慮した結果が、CCDのインチ表示であった。

具体的にはこの表記は、「従来の撮像管における相当するイメージサイズ」となる。従ってインチ寸法と実際の寸法は、ほぼ一致しない。

基本的にはビデオカメラ用途だったが、後にデジタルカメラ用途が増加した。

電子計算機で処理することが多いために、デジタルカメラの場合はビデオカメラと違って正方画素のものが多く使われるようになった。

単板と三板があり、民生用途では多くが単板である。三板はプリズムで分光したRGB信号をそれぞれが受け持つが、単板では色フィルター利用で行なっている。

CCDはクロックにより駆動するディジタル回路であり、見方によって空間をサンプリングしていると言える。