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AIPS ( Artificial Intelligent Partner System ) Homepage 0003
hagiwara-yoshiaki@aiplab.com
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これは70歳じじいのぶつぶつぼやきの独り言です。
（３） デジカメの構造と動作原理について
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これから皆さんがお使いのデジカメの構造と
その動作原理について説明します。
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デジカメ ( デジタル CMOS イメージセンサー） は
大きく分けると、次の５つの部品で構成されます。
Digital Camera （ Digital CMOS image sensor )
is mainly composed of the following five parts.
（１）半導体受光素子 ( Pinne Photodiode )
(3),(4)と(5)の電子部品は後段の後処理半導体集積回路です。
問題は、(1)の半導体受光素子と(2)の電荷転送装置との違い
が全く一般には理解されていないのが現状です。その理由は
CCDが発明された当時は、CCD image sensor は、(1)の半導体
受光素子としても、(2)の電荷転送装置としても機能するものと
大きな期待があったからです。初期の CCD image sensor は
(1)と(2)の機能を兼ね備えていて、(1)と(2)を区別する必要も
あまりなかったからです。それが大きな誤解を招きました。
(2)の電荷転送装置は信号電荷の運び屋さんです。一方の
(1)は光信号を電気信号（電荷）に変換する人間の網膜細胞
に相当する重要な役割り持っているもので、「電子の目」と
呼ばれる半導体電子部品です。この「電子の目」はもはや
CCD Image Sensor ではありません。実は、1975年にSONY
の萩原が「電子の目」を発明して以来、CCDは一度も（１）の
半導体受光素子、すなわち「電子の目」としては機能して
いませんでした。世界は誤解していました。CCDが「電子の目」
だと誤解していました。CCDは単純に信号の運び屋さんだった
ことを理解していませんでした。現在、その運び屋さんの仕事も
CMOS型の電荷転送装置という電子部品が活躍し、CCDは
もはやお役御免になって利用価値のないものになっています。
これからどうしてCCD Image Sensor が消えて、今は CMOS
Image Sensor が主役になっているか、そして本当の縁の下の
力持ちは、CCD でも CMOSでもなく、萩原が1975年に発明した
「電子の目」であることを詳細に説明していきたいと思います。
（１）半導体受光素子 ( Pinne Photodiode )
まず、目に入った光信号をまず電気信号（電荷）
に変換する必要があります。その為にはまず、
人間の目の役割をする半導体受光素子が必要です。
人間の目にたとえると、正確には、眼球の裏に
張り巡らされた網膜細胞です。この網膜細胞に
光を感知する半導体受光素子が対応します。
網膜細胞は光信号を電気信号に変換する非常に
重要な役割をする神経細胞です。長い生物の
進化の歴史の中で、脳細胞が外界を知る為に
進化し、脳から飛び出したものです。脳細胞と
同じ神経細胞でできています。
コンピュータを「電子頭脳」とも言いますが、この
光を電気信号に変換する半導体受光素子は
人間の網膜細胞の役割をする「電子の目」の
役割をすることになります。「電子頭脳」である
コンピュータも、「電子の目」である半導体受光
素子も、実は同じ電子部品で構成されます。
トランジスタと呼ばれる同じ電子部品で構成
されます。トランジスタは基本半導体素子です。
SONYはそれを小型トランジスタ・ラジオの
基本電子部品として使いましたが、電子頭脳
とも呼ばれるコンピュータも、トランジスタ回路
で構成されます。また「電子の目」と呼ばれる
この半導体受光素子も、実はこのトランジスタ
が進化したものです。光を感知し電気信号に
変換する Photo Transistor と呼ばれるもの
です。また、トランジスタは、実は、２種類の
ダイオード、PN接合とNP接合の２つの接合が
融合し、進化した融合体でもあります。
PN接合とNP接合はそれぞれひとつずつでは
単純な整流特性しか持っていないダイオードに
しかすぎませんが、２つが融合しますと、PN接合
とNP接合とが融合しますと、２つ以上の力を
発揮することができる融合体となります。
つまり、トンジスタに電流増幅特性が生まれます。
光感知ダイオード ( Photodiode ) も、その２種類の、
PN接合とPN接合が融合し、PNP接合型の光感知
トランジスタ （ Phototransistor ) となります。また
さらに、２種類の、PNP接合とNPN接合の光感知
トランジスタが融合しますと、PNPN型の光感知
サイリスタ （ Photothyristor ) が誕生します。
このPNPN型光感知サイリスタが実は、現在、
世界中のイメージセンサーの受光素子として
SONY HAD センサー、別名 Pined Photodiode
と呼ばれ、世界中のイメージセンサーの受光素子
として採用されています。光を感知し電気信号に
変換する機能だけなら、光感知ダイオード である
Photodiode だけで充分ですが、実はそれ以外にも、
つぎの７つの重要な機能や特性を必要としていて、
デジカメに採用される「電子の目」は進化しました。
（１）残像のない映像を提供する為に、
（２） 1/f 雑音のない映像を提供する為に
（３）暗電流雑音のない映像を提供する為に
（５）特に短波長光でも超感度な映像を提供する為に
（６）強い入射光に対しても映像が乱れない様にする為に
（７）瞬時にひとコマぶんの映像情報が保存できる様に
この人間の目の網膜細胞に相当する半導体受光素子、
すなわち、「電子の目」は、実は太陽電池と同じ構造を
ています。光を電気信号に変換する、単純な PN接合
構造、またの名は、ダイオードと呼ばれる半導体素子
のことです。光エネルギーを電気エネルギーに変換
する仕事をしています。太陽電池でも、人間の目の
網膜細胞でも、デジカメ用の半導体受光素子でも、
同じ役割をしています。
特に、デジカメ用の半導体受光素子としての特性を
さらに安定させ、良質の画質を取り出すために、この
デジカメ用の半導体受光素子の表面は特別加工され、
その表面電位を外部電源で固定（ピン留め）しています。
それが語源で、ピン留めされた受光ダイオード ( Pinned
Photodiode ) と呼ばれています。
デジカメが超感度で低雑音で高性能であるためには
何よりもこの人間の網膜細胞に相当する「電子の目」
の感度と低雑音性がたいへん重要です。その性能を
Pinned Photodiode という半導体受光素子で実現
しました。実は、それは、SONYのHADセンサーの
ことなのです。SONYが、デジカメで世界一を誇るのは
このPinned Photodiode、別名、SONY HADセンサー
の基本特許を、SONYが発明し、所有するからです。
（２）電荷転送装置 （Charge Transfer Device = CTD )
次に必要なのは、人間の目でたとえると、網膜細胞
で電気信号に変換された信号を脳に伝達するための
神経線の束が必要です。その信号電荷を転送する
仕事をする半導体回路を電荷転送装置（ CTD ) と
言います。昔は、CCD型の電荷転送装置でしたが
今は、半導体の微細化技術が進み、また CCDより
はるかに省エネ型である、 CMOS型の電荷転送
装置が主流となり、もはや CCDは使用されていません。
CCDが使用されていた時は、CCD image sensorの
名前で、CCDは Super Star の様に脚光を浴びて
いましたが、もはや、その影もなく、今は、CMOS
image sensor が主流となっています。
電荷転送装置は信号を転送するのが目的です。
光を超感度で超低雑音で電気信号に変換する
受光素子とはまったく違います。
人間の目の網膜細胞に相当する半導体受光
素子は、光を信号電荷に変換する仕事をします。
この半導体受光素子には、超感度特性や低暗
電流雑音特性という優れた特徴があります。
電荷転送装置自身は、この超感度特性や低暗
電流雑音特性とは全く関係ありません。
しかし、長い間、CCD Image Sensorは、超高感度で
暗電流雑音がないと誤解されてきました。実は、
SONYの萩原の発明の、半導体受光素子である、
Pinned Photodiode が、超感度で、暗電流雑音が
ない特徴を持っていたのです。CCDの特徴では
ありませんでした。CCD型の転送装置はもはや
使用されず消えています。CCDは不要になりました。
本当に超感度で低暗電流雑音の Super デジカメを
実現したのは、萩原が発明した、SONYのHADセンサー、
またの名を、 Pinned Photodiodeと呼ばれる、
「電子の目」の発明があったの話ですが、しかし、
1975年当時のMOSの微細化技術では、CCDが
なけらば、その信号電荷を外部回路にClock雑音
や信号配線の熱雑音（CkT雑音）のない状態で
転送することは不可能でした。そういう意味で、
CCD型の電荷転送装置は非常に重要な発明でした。
しかし、CCDにも電荷転送効率が９９．９９９％以上
にはなかなかできません。理論的に10000回転送
すると１０％の信号電荷が取り残されることになり
それ以上の高解像度のイメジャーには使用不可
であることは知られていましたが、当時のテレビは
NTSC方式で、最大でも、水平（横）８００絵素で、
垂直（縦）が５００絵素程度であり、一番遠い電荷
転送路でも １３００絵素ぶんしかなく、１３００回の
転送回数で済んでいました。その結果、電荷転送
残りは最大でも、1.3 % にとどまり、実用上問題ない
とされていました。
しかし、現在の high vision digital テレビでは、最低
水平（横）６０００絵素で、垂直（縦）が４０００絵素程度
となり、１００００回以上の電荷転送を必要としています。
これでは信号電荷が１０％以上残ることになり、隣接
する映像信号が混ざり合う事になりもはや使用不可です。
待望の半導体プロセスの微細化技術も、やっと、デジタル
テレビの時代なり、追いつきました。今は、CMOS型の
電荷転送装置を採用した、CMOS Image Sensor が
はるかに CCDより、鮮明でかつ省エネの高性能な
デジカメを実現しています。
デジカメには今でも、CCDはなくなっても、萩原が
1975年発明の半導体受光素子である、SONY HAD、
別名、 PinnedPhotodiodeが、今も、使われています。
その超感度特性と低暗電流特性の優れた性能を
今でも発揮しています。SONYの多くの勤勉な開発
生産技術者の努と知恵で実現したものです。
信号の運び屋は、CMOS型の電荷転送装置でも
充分機能することが証明されました。CCDは単純
に信号の運び屋だったのです。その主役の電気
信号を提供していたのは、萩原の発明の半導体
受光素子、SONY HAD だったのです。
（３）A/D変換器 ( AD Converter )
萩原はSONY社内で内製で アナログ信号をデジタル信号に
変換する研究も手がけたことがあります。NTT厚木研究所の
デルタシグマ型 AD 変換器の開発は、SONYで萩原が当時
担当していた、 Cache SRAM 用の 標準 CMOS Process
を使って、SONYとNTTが極秘で技術提携して開発し、NTTは
その成果を ISSCCで発表しましたが、SONYに対する謝辞は
ありませんでした（大涙）。しかし、SONYでも、最終的にその
技術は、SONYの山田隆章さんが MOSプロセス用 AD 変換
回路を設計し、竹田仁さんが Bipoalor プロセス用 AD 変換
回路を設計し、浅野勝昭さんとそのチームの技術者陣がその
プロセス技術を開発し、SONYは、ビデオ信号のデジタル処理
に不可欠な A/D 変換器を内製して、最初は、業務用に、放送
局用の高性能CCDビデオカメラに使用しました。その技術は、
さらに民生用に、SONYのデジカメの開発担当技術陣に継承
されていきました。
（４）高速瞬間記憶キャッシュ・メモリー(Cache SRAM)
SONYのセット事業部はもともと富士通製のSRAM chipを購入し
SONYの製品に使用していましたが、SONY社内でも SRAMを
内製する方針となり、萩原はその開発担当となり、世界で最初の
高速アクセス時間 25 nanosec の 8 Mega ｂit Cache SRAMを
設計し試作に成功し、ISSCC1989で学会発表しています。この
高速 Cache SRAM は、デジカメには、一時記憶 buffer memory
として不可欠なものでした。また、当時のSONYのメモリ事業部の
SRAM Chip は、米国 San Jose に販売拠点を持ち、広く世界に
外販されていて、Intel のマイコンボード等にも採用された実績が
ありました。その技術はもともと、デジカメの Cache Memoryの為
に萩原が手掛けた技術でした。
（５）低速不揮発性記憶メモリー（NVRAM)
そして、最後の部品は、みなさんは、 USBメモリーなどでお馴染みの
不揮発性メモリーです。この基本デバイスは、もと米国ベル研の研究
者だった、台湾の Prof. Simon Sze の発明です。２ 層の Polysilicon
を 重ねて、 Floating Gate MOS Memory 構造をしたものです。
当初は、Intel 社が NOR回路構成で商品化していましたが、東芝の
外岡さんが NAND回路構成の方が chipの集積度が上がることを
考案して、東芝が世界の Flash Memoryの主力メーカとなりました。
この Flash Memoryの発明開発には、半導体エネルギー研究所の
山崎舜平さんの不揮発性メモリーのアレイ構成に関する特許も深い
関係があります。先行優先特許ではないかとも思います。しかし、
Intel 社が 東芝の NAND Flashを採用したことで、東芝の NAND
Flash として世界的に知られる様になりました。
ここでも、冷飯めしを食べさせられた本当の先行発明者と、後を
追って利益を得た、後追い開発者との区別が不明瞭です。発明
者の当事者とその企業の特許関係者でないと、なかなか、その
詳細は、萩原を含めて、外部の人間には把握が難しい内容です。
今はもうCCDが不要になりました。それは、半導体素子である、MOS
トランジスタ―の微細化技術が進歩してきた為です。各絵素の受光
素子のそば近くに、電流増幅回路が組み込めるようになったからです。
その電流増幅回路は、CCDの発明より以に、Peter Noble さんにより
発明されていましたが、当時は、MOSトランジスタのサイズが大きくて、
各絵素の面積よりはるかに大きなものでした。しか現在では、各絵素
の大きさより、はるかに微小な程、縮小され、かつ、CMOSデジタル
回路は、CCDより、はるかに省エネ・タイプになりました。
昔はCCD型の電荷転送方式のCCDイメージセンサーが脚光を
浴びて主流でしたが、今は CMOS型の電荷転送方式のCMOS
イメージセンサーが主流となりました。消費電力が大きなCCD
は、もはや不要な存在になりました。
以上の５つがデジカメの基本部品となります。
（１）半導体受光素子 ( Pinne Photodiode )
CCDが消えてCMOS image sensor が今のデジカメの主流と
なった理由は、MOSプロセスに微細化技術の進歩により、
MOS トランジスタのサイズが、イメージセンサーの受光素子
の面積よりはるかに微細加工が可能になったからです。
各受光素子 ( SONY HAD = Pinned Photodiode ) に、
３個のトランジスタで構成可能な電流増幅回路が、組み
込める事ができる様になったことです。この電流増幅
回路は、DRAMの増幅回路と全く同じ構造をしています。
もともと MOS Image Sensorと DRAM の回路構成は
たいへん共通する ２ 次元アレイ構造となっています。
再度デジカメの５つの基本部品について説明します！
デジカメ ( デジタル CMOS イメージセンサー） は
大きく分けると、５つの部品で構成されます。まず、
（１）表面電位が固定（ピン留め）された
受光ダイオード (Pinned Photodiode)
これは人間の目の網膜細胞に相当するものです。
This corresponds to the retina cell of human eye.
光信号を電気信号（電荷）に変換する組織です。
This is a device to convert the light image
signal into the electronic charge signal.
専門用語では Pinned Photodiode といいます。
In the technical terminology it is called as
the Pinned Photodiode.
Pin とは単純にその受光感知半導体素子である、
P+N接合の表面の電圧を固定（ピン留め）する、
ピン(pin) の事を言います。
"Pin" simply means a pin that fixes or pins the
surface potential of the P+N junction type light
detecting semiconductor device.
安定した外部電圧でピン留めされた、網膜細胞の
様な安定した機能を持つ、P+N 接合型光ダイオード
半導体受光素子の事です。
It is simply a pinned semiconductor light detectiong
P+N junction type photodiode device behaving like a
retina cell with the stable external fixed voltage.
太陽電池は、光を電気エネルギーに変換する半導体素子で、
PN接合型の光ダイオードであることは良く知られています
が、イメージセンサーも太陽電池と実は全く同じ構造です。
It is well known that a solar cell is a PN jucntion
type semiconductor photodiode device. Actually, the
image sensor and the solar cell both have the same
identical semiconductor device sturucture.
イメージセンサーは、単純にこの小さな太陽電池を、
たとえば、横に６０００個、縦に４０００個並べたもの
です。合計の絵素数は、２４００万個にもなり、縦横
平面に並べたものです。
In case of an image sensor, we need to form
many small solar cells ( picture cells = pixels ),
for an example, into a marix formation of 6000
pixels horizontally and by 4000 pixels vertically.
The total pixel number of an image senosr
becomes more than 24 million pixels.
（２）電荷転送装置 ( Charge Transfer Device = CTD )
そのピン留めされた網膜細胞（ Pinned Photodiode )
でまず、光信号を電気信号（電荷）に変換して、その
電気信号（電荷）を今度は脳まで伝送する必要があり
あります。その電荷転送装置（CTD)が昔はCCD型
電荷転送装置でしたが今はCMOS型電荷転送装置に
なっています。もう消費電力が大きいCCDは使わなく
なりました。CMOS Image sensor と呼ばれる理由です。
（３）A/D変換器 ( AD Converter )
もともとこの電気信号（電荷）はアナログ情報ですが、
これをコンピュータ処理するためにデジタルに変換する
装置が必要となります。昔は、アナログ電荷転送装置
でアナログ信号として脳に信号を送っていましたが、
今では放送局がすべてデジタルテレビになったのと
同様に放送局から直接雑音に強いデジタル信号が
家庭に送られますが、それと同様に、今では、デジカメ
でも、アナログの電気信号（電荷）を A/D 変換器で
デジタル信号に変換してから、デジタル電荷転送装置
で脳に信号を送ります。実際、アナログ電荷転送装置
もデジタル電荷転送装置も転送装置としては同じもの
でOKです。取り扱う信号がデジタルかアナログかの
違いです。ただし、転送速度が各段にデジタル伝送
では1万倍～100万倍と速くなります。伝送できる
情報量も格段に大きくできます。
（４）高速瞬間記憶キャッシュメモリー(Cache SRAM)
高速に送られてきたデジタル情報を急いで高速に
一時記憶用のキャッシュ・メモリー（Cache SRAM)
に記憶します。Cache SRAM は 高画質の写真
一枚分のデジタル信号量を瞬間に保存します。
ひとつの絵素には、白黒と三原色の４つ色合い
の明暗の諧調 (250倍）を考慮すると、1000万画素
では、4 x 250 x 1000 万画素＝ 10000000000 bit、
すなわち、10 G ｂit のデジタル情報となります。
（５）低速不揮発性記憶メモリー（NVRAM)
この膨大なデジタル情報をdata圧縮処理をゆっくり
実行処理して、１０００分の１程度までに圧縮し、
10 M bit以下にして、電源が切れてもデジタル情報
を覚えてくれる、不揮発性メモリー素子（NVRAM)に
ゆっくり書き込みます。これが皆さんがお使いの
USBメモリーや MiniDiskの薄い小さななchip です。
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The AIPS image sensor watching at its inventor, Yoshiaki Hagiwara.
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