有源画素アレイCMOSデジタルイメージセンサを使用したソリューションを設計する際には、数多くのセンサ仕様を考慮する必要があります。例えば、センサの解像度、光学フォーマット、シャッタータイプ、最大フレームレート、ダイナミックレンジ、信号対雑音比（SNR）、画素構造などです。さらに複雑なことに、消費電力、インターフェース、パッケージタイプ、オンボードHDR処理、関心領域などのセンサの特性・機能も考慮しなければなりません。最適な選択は一目瞭然とは限りません。

これらの仕様と機能を絞り込むために、重要な考慮事項の一つはセンサの想定用途です。特定の用途では静止物体を捉えるために非常に高い解像度が必要となり、別の用途では高速で移動する物体を検出し、「ストップモーション」効果を再現できる能力が必要となります。もう一つの重要な用途に関する考慮事項は消費電力要件です。固定設置の場合、センサの消費電力は重要ではないかもしれません。しかし、ポータブル用途ではセンサはバッテリーで動作しなければならないため、センサのエネルギー効率が極めて重要になります。

センサを選定する際、最も適した出発点はアプリケーションの速度、すなわち物体の移動速度です。なぜなら、これが必要なシャッタータイプを決定するからです。デジタルイメージセンサの分野では、主に2つの選択肢しかありません。つまり、ローリングシャッターとグローバルシャッターです。

イメージセンサの注意点

ローリングシャッター

デジタルイメージセンサは、行状に配列された画素アレイです。ローリングシャッターイメージセンサを使用する場合、アレイ内の各行がアレイの上部から下部に向かって順次露光されます。つまり、隣接する行はわずかに異なる露光時間（行時間と呼ばれる）を持ち、隣接する行間の時間差は約10マイクロ秒です。

ローリングシャッターとは全く異なり、グローバルシャッターはアレイ内のすべての画素を同時に露光します。これらのセンサは、センサ全体の読み出し中に電荷を蓄積できる「ストレージノード」を持つ画素を備えていなければなりません。ローリングシャッターとグローバルシャッターにはそれぞれ長所と短所があります。

ローリングシャッターは、グローバルシャッターと比較してコスト効率が良く、実装も容易です。グローバルシャッターセンサでは、ストレージノードが迷光の影響を受けやすいため、ノイズが高くなる傾向があります。さらに、ストレージノードは画素の隣に配置されるため、画素サイズに制約が生じます。これに対応して、ローリングシャッターの欠点は、高速で移動する物体を捉える際にモーションアーチファクトが生じやすいことです。

ローリングシャッターアレイは順次露光方式を採用しているため、動く物体を撮影する際に空間的な歪みが発生します。同様に、アレイの異なる領域は異なる時間（場合によっては異なる照明条件下）に撮影されるため、無関係な照明の影響を受ける可能性もあります。

したがって、ローリングシャッターアレイは動く物体の撮影には不向きですが、静的な高解像度アプリケーションでは優れた選択肢となります。

グローバルシャッター

グローバルシャッターは、ローリングシャッターが苦手とするシナリオ、すなわち高速で移動する物体、特に高角速度の物体に適しています。グローバルシャッターが優れた性能を発揮するアプリケーションには、拡張視覚(AV)、仮想現実(VR)、マシンビジョン(MV)、そしてバーコードスキャナやロボットアプリケーションなどの高振動環境が存在するあらゆる用途が含まれます。

グローバルシャッターには他の利点もあります。アレイ全体が同時に露光されるため、グローバルシャッターは他のグローバルシャッターや光源（フラッシュなど）と直接同期できます。グローバルシャッターは無関係な照明を処理する必要がないため、自動露光制御もより容易に実現できます。

グローバルシャッターの性能に関する考慮事項

グローバルシャッターの性能を評価する最初のステップは、その実証済みの指標を参照することです。グローバルシャッターセンサを評価する際には、アプリケーション指向の指標と性能指向の指標を考慮する必要があります。アプリケーション指向の指標は、特定の製品ファミリーから特定のアプリケーションに適したセンサを選択するのに役立ち、性能指向の指標は異なるメーカーの製品を比較するのに役立ちます。

最も簡単な方法は、アプリケーション指向の指標から始めることです。最終用途によって決定される5つの主要な指標は以下の通りです。

1. 解像度
2. 光学フォーマット
3. グローバルシャッター効率（GSE）
4. フレームレート
5. 消費電力

これら5つの指標の優先順位は、最終用途の具体的な要件によって異なります。例えば、高解像度アプリケーションでは200万画素（MP）の解像度と1/2.8インチの光学フォーマットが必要となる場合があり、低解像度アプリケーションではVGA解像度と1/8インチの光学フォーマットで十分な場合もあります。

フレームレート

フレームレートは1秒あたりのフレーム数（frames per second, fps）で測定され、センサが1秒間に撮影できる画像の数を示します。高速で移動する物体を撮影する場合、ぼけを避けるために高いフレームレートが必要です。

グローバルシャッター効率（GSE）

前述の通り、GSEはグローバルシャッターが迷光を抑制する能力を示す比率です。これは通常、特定の波長と絞り（f値）設定で指定されます。数値が大きいほど性能が良いことを示します。

エネルギー効率

民生用途における低消費電力の最適化は、特に拡張現実（AR）、仮想現実（VR）、複合現実（MR）ヘッドセットなどのアプリケーションにおいて、開発上極めて重要です。さらに、自律走行移動ロボット（AMR）やハンドヘルドバーコードスキャナも、産業分野におけるバッテリー駆動機器の一例です。これらの機器のエネルギー効率を向上させることで、動作寿命を大幅に延ばし、充電頻度を減らし、全体的なユーザーエクスペリエンスを改善できます。残りの指標は性能指向であり、異なるメーカーの製品を比較するために使用できます。

信号対雑音比(SNR)

信号対雑音比はデシベル（dB）で表され、最大値として規定されます。これは、微小（すなわち低照度）信号下でのセンサの性能を測定する方法です。数値が大きいほど性能が良いことを示します。最大信号対雑音比SNRmaxは、リニアフルウェル（linear full well、LFW）、すなわち基本的に画素が捕捉できる光子の数を反映しています。

ダイナミックレンジ

ダイナミックレンジもdBで表され、測定可能な最大入力信号と最小入力信号（すなわちノイズレベル）の比を示します。これは、同一シーン内で異なる強度の入力信号を処理するセンサの能力を表します。デシベル値が高いほど良いです。トンネルは高ダイナミックレンジを必要とするシーンの良い例です。トンネル内部は暗く、外部の光は明るい可能性があるためです。センサは同一シーン内でこれらの両方の状況に対応できる必要があります。

性能指標に加えて、特定の機能を実行したり、独特の能力を持つために、特定の特性をセンサに要求するアプリケーションもあります。すべてのグローバルシャッターセンサがこれらの機能を備えているわけではありません。アプリケーションの要件によって、どの機能が必要か、どのセンサが検討可能かが決まります。

同期センサ

グローバルシャッターがセンサアレイ全体を一度に露光する利点の一つは、アレイの露光瞬間を他のイベント（他のセンサやフラッシュなど）と正確に同期できることです。

同期センサの「トリガー」モードにより、フラッシュを制御して正確なアクティブ照明を行ったり、複数のカメラを同期させてステレオやワイドスクリーン撮影を実現できます。

組み込み自動露光

自動露光機能により、センサは与えられた照明条件に応じてゲインと露光を自動的に制御できます。自動露光は、センサが動的な照明条件に適応するための基本的な機能です。

この機能をセンサに直接組み込むことで、露光制御を高速化でき、その結果リアルタイム応答が可能になります。ホスト制御に依存すると応答が遅くなります。ほとんどの高速アプリケーションでは、組み込み自動露光が不可欠です。

シーン切替え

シーン切替え機能により、センサは異なる解像度、ゲイン、露光、フレームレートに応じて設定を迅速に切り替え、様々な撮影シーンに適応できます。多くのセンサでは、これらの「シーン」が保存されており、単一のレジスタ設定で動的に変更できます。

プログラム可能かつ切替可能な関心領域（regions of interest、ROI）

画像内の領域は、主に物体解析に関連する画素の集合です。ROIにより、センサは他の部分をフィルタリングすることで特定の領域に焦点を当てることができます。これはデータ転送と処理を最適化する方法です。プログラム可能なROIにより、リアルタイムコンピュータビジョンアプリケーションが可能になります。

まとめると、アプリケーション指向の指標、性能指向の指標、および特定の機能を組み合わせて使用することで、一連のセンサから特定のグローバルシャッターセンサを選択し、最終用途の要件を満たすセンサメーカーを特定するのに役立ちます。

Hyperlux SG シリーズ グローバルシャッターセンサ

オンセミ（onsemi）は、Hyperlux SG と呼ばれる高性能で小型のグローバルシャッターセンサシリーズを開発しました。製品にはARX383、AR0145、AR0235が含まれます。Hyperlux SG シリーズセンサは、業界をリードするグローバルシャッター効率（GSE）と低消費電力動作を組み合わせており、ポータブルで高振動のアプリケーションに最適です。

図 1 Hyperlux SG イメージセンサシリーズ

Hyperlux SGシリーズは、新規で革新的なグローバルシャッター画素設計を採用しており、動くシーンを正確かつ高速に捉えるために最適化されています。低照度でも明るいシーンでも、クリアで低ノイズの画像を撮影できます。

Hyperlux SG センサシリーズは以下の特性を持っています。

• 水平/垂直ミラー、ウィンドウ化、画素ビニング
• プログラム可能な関心領域（ROI）
• 同期用のオンチップトリガーモード
• オンチップ自動露光
• 内蔵フラッシュ制御
• シーン切替え
• ラインスキップおよびカラムスキップモードの柔軟な制御

センサの組み合わせの解像度はVGA（640 x 480）から230万画素（1920 x 1200）まで、光学フォーマットは1/8インチから1/2.8インチまで、フレームレートは毎秒最大120フレームまで対応し、様々な高速イメージングアプリケーションに適しています。各仕様は他の同種製品と比較して優位性があり、卓越した性能と機能の組み合わせこそが、Hyperlux シリーズセンサを市場でユニークなものにしています。これらのセンサは、バーコードスキャン、マシンビジョン、AMR、AGV、AV/VR/MR、ドローン、3Dスキャンなどの高速アプリケーションに非常に適しています。

図 2. Hyperlux SG アプリケーション分野

製品教育とシステム設計を促進するために、迅速なシステム開発を可能にする包括的な開発プラットフォームも提供されています。これには、設計前に製品を評価するための完全なテスト機能と、設計段階で使用するリファレンスデザインが含まれています。

グローバルシャッターセンサは、高速画像アプリケーションに最適な選択肢です。シャッタータイプを選択した後も、センサが想定用途に適していることを確認するために、選択可能な多数の仕様と機能があります。

グローバルシャッターセンサを評価する際に常に念頭に置くべき重要な考慮事項は、グローバルシャッター効率（GSE）です。GSEが十分に高くなければ、他のすべての仕様を合わせても、画像に許容できないモーションアーチファクトが生じる可能性があります。低消費電力、高性能、高GSEを要求するアプリケーション向けに、オンセミはHyperlux SG シリーズ グローバルシャッターセンサを開発しました。