CCD

I

プロローグ

電荷結合素子という訳語もつかわれる半導体の受光素子で、光を電気信号に変換する。今日では、携帯型のビデオカメラや、デジタルカメラをはじめ、イメージスキャナー、デジタル複写機、ファクスの読み取り部などに、広くもちいられている。

II

構造

CCDは、多数のセル(単位素子)にわかれた集積回路で、セルの数が画素に対応している。画素というのは、1つの画像をつくるのに、どれだけの点で構成するかをしめす単位で、画面表示のピクセルと似ている。単位面積当たりの画素数が多いほど鮮明な画像をつくれる。

セルは、MOS(Metal Oxide Semiconductor)という集積回路の基本構造でつくられる。これは、名前のとおり金属(Metal)、酸化物(Oxide)、半導体(Semiconductor)の層になっていて、表面に電極を接続してある。セルの半導体の部分は、FET(電界効果トランジスター)やコンデンサーと似た動作をする。

このコンデンサーに相当する部分を、電荷がおちこむという意味から、ポテンシャル井戸という。電極の電圧をかえて井戸の深さをかえると、セルの電荷が隣に移動する。撮像素子につかうCCDのセルは、光の量に対応して電荷量が変化するので、順次電圧をかえて電荷量を信号としてとりだせる。CCDは、コンピューター用の集積回路とことなり、最初はアナログ信号としてとりだし、必要に応じて付属させる電気回路でデジタル信号に変換する。

III

特長

真空管式の撮像管にくらべて、小型軽量で、画面の焼き付けをおこさず、感度が高いうえに、画面の歪(ひず)みが少ないなど、数々のすぐれた特性をもつ。また、固体素子のため、従来の真空管式の撮像管にくらべて衝撃に強く、寿命も長くなるというメリットもある。

一方、光が強いときに像がにじんだり、暗い条件ではパターンノイズがはいりやすいという問題点もある。また、1970年代末に発売された初期の製品では、画素数が15万程度と少なく、精細な画像をえられなかった。

しかし、これらの技術的な課題は急速に改善されており、今では一般用ビデオカメラのほとんどが撮像管からCCDにおきかわっている。画素数も、すでにハイビジョンカメラ用に200万画素をこえるものがあり、普及型電子カメラ用としても100万画素をこえるものが登場してきた。

市販のビデオカメラや、電子カメラにつかわれているCCDは、可視光よりやや広い波長帯域の光をとらえることができる。そのため、テレビなどの赤外線リモコンのボタンをおしているところを撮影すると、赤外線信号の点滅が観察できる。

また、天文学の世界では、一時、観測装置の最前線からしりぞいていた光学望遠鏡が、CCDの登場によって復権した。CCDは写真乾板の40倍の感度をもつため、光学望遠鏡の口径を6倍以上にしたのと同じ効果がある。