CMOSなどのイメージセンサーは、今日様々な業界で使用される製品の規模が大幅に拡大しています。また、イメージセンサーの設計にも大きな違いが見られます。例えば、これらのセンサーには様々なサイズがあります。実際、カメラセンサーのサイズは、全体的なカメラのパフォーマンスと画質を決定する上で最も重要な要素と考えられています。
様々なセンサーサイズの比較と、組み込みビジョンアプリケーションでの適切な使用方法について深く掘り下げていきましょう。カメラセンサーのサイズを比較する前に、まずCMOSセンサーとは何か、そしてそのサイズがどのように測定されるかについて説明いたします。
CMOSセンサーとは？
CMOS (相補型MOS) は、光を捉えて電気信号に変換するデジタルデバイスです。各画素にフォトダイオードとトランジスタスイッチを搭載しています。画素に光がに当たると、強度に比例した電圧が発生します。電圧は画素で直接サンプリングされます。下の図に示すように、各画素にアンプを配置すると、画素信号を個別に増幅できます。
図 1: CMOSセンサーのアーキテクチャ
CMOSセンサーとCCDセンサーの違いについては、CMOSセンサーとCCDセンサー: CMOSセンサーが組み込みビジョンの世界を支配している理由」をご参照ください。
カメラのセンサーサイズとは？ どのように測定されますか？
CMOSセンサーは通常、物理的なサイズで指定されます。CMOSセンサーのサイズによって、センサーの集光表面積が決まります。センサーの寸法は、解像度と画素サイズによって定義されます。ご存知のように、センサーのサイズは多くの場合インチで測定されます。イメージセンサーフォーマットは、センサーサイズまたはオプティカルフォーマットと呼ばれることもあります。
オプティカルフォーマットの値は、センサーの対角線の長さに3/2をかけた近似値です。
オプティカルフォーマット = (3/2) * センサーの対角線
例えば、4.54×3.42mmのセンサーサイズと5.68mmの対角線を持つonsemi AR1335-CMOSイメージセンサーを考慮します。従って、オプティカルフォーマットは5.68*3/2=8.52mmで、1/3.2インチと表されます。
同様に、次の図に示すように、マーケットにはいくつかのセンサーサイズがあります。
図2：センサーサイズの寸法図
CMOSセンサーサイズ比較
以下の表は、様々なセンサーサイズと対応するクロップファクターの比較を示します。
| タイプ | 対角 (mm) | 幅 (mm) | 高さ (mm) | 面積 (mm²) | クロップ・ファクター |
| 1/2″ | 8 | 6.4 | 4.8 | 30.7 | 5.41 |
| 1/2.3″ | 7.66 | 6.17 | 4.55 | 28.5 | 5.64 |
| 1/2.5″ | 7.18 | 5.76 | 4.29 | 24.7 | 6.02 |
| 1/3″ | 6 | 4.8 | 3.6 | 17.3 | 7.21 |
| 1/3.2″ | 5.68 | 4.54 | 3.42 | 15.5 | 7.61 |
| 1/4″ | 4.5 | 3.6 | 2.7 | 7.92 | 10.81 |
| 2/3″ | 11 | 8.8 | 6.6 | 58.1 | 3.93 |
| 35mm フルサイズ | 43.1–43.3 | 35.8–36 | 23.9–24 | 856–864 | 1 |
クロップファクターは、カメラセンサーサイズと35mmフィルムフレームの比率に関連していることに注意してください。
クロップファクター = 対角 35mm / 対角センサー
組み込みビジョンアプリケーションに適したCMOSセンサーサイズの選び方
アプリケーションごとに、画像を生成するためのセンサーサイズ要件が異なります。特定のサイズのセンサーを選択する際に考慮すべき要因についてご説明します。
- 解像度
- 高フレームレートとグローバルシャッター
- 感度
- レンズマウントの選択
- イメージサークル径
- 低照度性能
解像度
解像度は、正確なオブジェクトの詳細を再現するイメージングシステムの性能です。自律移動ロボット (AMR) や自律走行車などの多くの組み込みビジョンアプリケーションでは、正確な3D深度測定を実現するためにカメラが必要です。これは、そのカメラの高解像度機能によって実現されます。画素サイズの大きなセンサーを選択することで、より高い解像度が得られると考えられます。また、高品質の画像を実現するには、レンズの解像度がセンサーの画素サイズと一致している必要があります。非常に人気のある1600 x 1200ピクセルのカメラ解像度は、1/1.8インチのサイズのより大きなセンサーを使用することが多く、現在のハイエンド4K解像度は1/1.2インチのイメージセンサーフォーマットを使用しています。
高フレームレートとグローバルシャッター
自動ナンバープレート認識、ジェスチャー認識、ロボットビジョン、ドローン、AMRなどの組み込みビジョンアプリケーションには、エンドアプリケーションの要求仕様に応じて、高いフレームレートとグローバルシャッター機能が必要です。 Onsemi AR0234は、このようなアプリケーションで使用される最も一般的なセンサーの1つです。1/2.6インチ (対角 6.8 mm)光学フォーマットCMOSセンサーで、画素サイズは3.0μm x 3.0μmです。グローバルシャッターセンサーで、フル解像度で毎秒120フレームで動くシーンを正確かつ高速に撮影するために使用されます。当社のSee3CAM24_CUGは、ARO234センサーベースのカラーグローバルシャッターカメラです。
また、他の利用可能なセンサーサイズのいくつかは、1/2.9インチ (3.0μm x 3.0μmピクセルサイズのOmnivisionのOV2311 CMOSイメージセンサーの場合) および1/3インチ(1280H x.960Vのアクティブ画素アレイを備えたOnsemi AR0134 CMOSデジタルイメージセンサーの場合) です。
感度
センサーが大きいほど画素サイズが大きくなる傾向があり、これは感度が高いことを示しています。高感度とコンパクトなデザインを実現するために、通常、産業用カメラは1/2.8インチのCMOSイメージセンサーを使用します。これにより、スマートシティ、監視、および交通監視システムの安全性を向上させるための高レベルの画像認識および検出パフォーマンスが可能になります。
レンズマウントの選択
マウントは、レンズをカメラボディに装着するために使用します。マウントの選択は、センサーのサイズによって異なります。例えば、マシンビジョンカメラ用のレンズマウントのタイプであるCマウントは、1.5インチセンサーに適しています。また、産業用途で一般的に使用されるSマウントは、1/2インチ、1/3インチ以下のセンサーサイズに適しています。
イメージサークル直径
産業用カメラには、レンズのケラレ/レンズシェーディングのような問題がある場合があります。これは、画像の中心から4つのコーナー/エッジにかけて画像の明るさや彩度が徐々に低下する現象です。これは、レンズの画像フォーマット (またはサークル) がセンサーのサイズに対して小さすぎる場合に発生します。したがって、これを軽減するには、イメージサークルの直径がセンサーサイズに適合させるか、それよりも大きくする必要があります。
低照度性能
前述のように、大型センサーには、光をより受容する大きなフォトサイトが含まれているため、小型センサーと比較して、低照度の画像を撮影するカメラの能力を向上させることができます。低照度撮影に適したセンサーサイズとしては、1/1.2型（Sony IMX485ベースの4K解像度CMOSイメージセンサーなど）、35mmフルサイズが一般的に知られています。
最終考察
センサー技術が向上するにつれて、小型センサーと大型センサーの両方でパフォーマンスを向上させることが求められていますが、実際にはセンサーサイズが大きいほど良いということです。しかし、大型センサーは小型センサーよりはるかに高価です。このブログが、CMOSセンサーサイズとは何か、組み込みビジョンアプリケーションに適したセンサーサイズを選択する方法についてより深くご理解いただければ幸いです。
このトピックについてさらにご質問がある場合は、コメントをお寄せください。
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Prabu Kumarは、e-con Systemsの最高技術責任者兼カメラ製品責任者であり、組み込みビジョン分野で15年以上の豊富な経験があります。彼は、USBカメラ、組み込みビジョンカメラ、ビジョンアルゴリズム、FPGAに関する深い知識をも有しています。医療、工業、農業、小売、生体認証などのさまざまなドメインにまたがる50以上のカメラソリューションを構築してきました。また、デバイスドライバー開発とBSP開発の専門家でもあります。現在は、新時代のAIベースのアプリケーションを強化するスマートカメラソリューションの構築に全力を注いでいます。