はじめに

ほぼ50年間、CCD（電荷結合デバイス）センサーとCMOS（相補型金属-酸化膜半導体）センサーは、デジタルイメージングアプリケーションのさまざまな分野でコストと性能を競い合っています。高解像度の画像が要求された場合、ペルチェ冷却器（熱電冷却器）はCCDとCMOSイメージセンサーの両方とも冷却してきました。設計エンジニアは、天体写真、超解像度顕微鏡、X線結晶学、および分光分析などの用途にはCCDを使いがちでした。一方、安価なデジタル化写真撮影にはCMOSセンサーが使われてきました。
最近、CMOSセンサーは、伝統的にCCDセンサーが主流だった分野に進出し、さらには自動運転システム、マシンビジョンと学習、およぶ対象物の検出と認識などの新しい用途にも使われ始めています。これらの既存分野および新用途で、熱電冷却器を使用したアクティブスポット冷却により、新しく革新的なCMOSセンサーが低コストという観点からCCDよりも優れた性能を発揮するようになってきています。
 

図　CMOS センサーは新しい用途や今までCCDセンサーが使われてきた分野で幅広く使われるようになってきています。

 

イメージセンサー 

デジタルカメラは、CCD（電荷結合デバイス）センサーとCMOS（相補型金属酸化膜半導体）センサーの2つの主要なタイプの画像センサーのいずれかを使用しています。どちらのタイプのセンサーも同じ機能を実行しています。フォトディテクター（ピクセル）の複雑な2次元アレイを使用して、光（光子）を電荷（電子）に変換します。次に、これらの個々の一塊の電荷が増幅され、デジタル化されて、デジタル画像が形成されます。 2つの主要なタイプのセンサーの違いは、この操作がどこでどのように実行するかということです。

CCDセンサーでは、各ピクセルに蓄積された電荷がチップ全体で一列ごとに同期をとって、各列がセルごとに読み取られます。ここで、オフチップ（センサーチップ外）の低ノイズアンプが電荷を電圧に変換し、最後にアナログ・デジタルコンバーター（ADC）によってデジタル化されます。さらにデジタル処理により、平均ノイズレベルが低下し、最終的な画像が描かれます。このため、CCDセンサーの読み出し速度は制限されがちです。 CCDセンサーは温度に非常に敏感であるため、多段の熱電冷却器を使用して温度を下げ、ダークノイズ電流（光がない状態で生成される熱的に生成された電子）を抑制しています。

オフチップのノイズアンプにより、CCDは最小ひずみ、低ノイズ、高解像度、優れた光感度で信号を生成します。多段熱電冷却器は、センサー温度を3段で-50⁰C、4段で-90ºCにまで下げることができ、天体写真で使用される長時間露光を可能にしています。　CMOSセンサーでは、各セルに独自のアンプ（増幅器）があり、アレイの各列には通常、すべて同一チップ上に独自のアナログ-デジタルコンバーター（ADC）があります。このような集積、分散増幅、および並列出力により、CMOSセンサーのデータ転送速度は向上します。回路とフォトディテクターとを一括して製造できるので、CMOSセンサーはCCDセンサーよりも少ない製造ステップで製造できることを意味し、結果としてコストを削減できます。より速いフレームレートとより低いコストに加えて、CMOSセンサーは、画像処理機能を単一チップ上で直接行うことができます。ノイズリダクション（雑音低減）、オートフォーカス、自動露出制御、ジッター防止、モーショントラッキング、カラーエンコーディング、画像圧縮機能はすべて、チップに直接集積されています。

CMOSセンサー 

CMOSセンサー技術のたゆまぬ進歩により、電磁スペクトル全体でこれらのセンサーのパフォーマンスが向上し、人間の目には見えない光スペクトルで高解像度の画像を捕獲できるようになりました。新しいCMOSセンサートポロジーにより、量子効率（QE）、つまり光子を電子に変換してカウントするセンサーの機能が向上しました。これらのCMOSテクノロジーとオンチップ機能の進歩により、ハイエンドの科学用途のカメラでの使用が可能になりました。 CMOSセンサーはCCDよりも温度に対する感度が低いですが、温度が50ºCを超えると画質が低下する可能性があります。ピーク画像解像度は、熱電冷却器を使用して温度を最大動作条件未満に保つことにより、高温でも維持できます。これにより、ダークノイズが絶対的に減少するだけでなく、フレーム間または動作モード間の一貫性が維持できます。
温度を下げるとダークノイズが低くなり、機械学習アプリケーションで必要とされる高フレームレートでの高解像度と高感度の両方が可能になります。この画期的な技術により、残留応力、複屈折、表面粗さなどを検査するための次世代デジタル検査システムのデジタル画像のコントラストと精度が向上しました。

CMOSセンサー冷却に推奨される熱電クーラー

OptoTEC™ OTX/HTX 熱電クーラー

OptoTEC™ OTX/HTXシリーズは、幾何学的なスペース制約が厳しい用途向けに設計された、高性能な小型熱電クーラーです。次世代材料を採用することで、OptoTEC OTX/HTXシリーズは標準製品と比較して冷却性能を高めるとともに、より高い成績係数（COP）を実現しています。

OptoTECシリーズは、OTXとHTXの2種類で提供されています。OptoTEC OTXはSbSnはんだを使用しており、最大動作温度120°Cに対応し、リフロー工程向けに232°Cの融点を備えています。一方、OptoTEC HTX熱電クーラーはAuSnはんだを採用することで、最大150°Cの温度環境に耐え、融点は280°Cです。

製造プロセス管理を強化することで、再現性と長寿命動作を確保しています。これらの熱電クーラーは、過酷な動作環境に耐えるためのTelcordia GR-468 CORE要件に適合しています。

OTX-HTXシリーズ

OptoTEC™ OTX/HTXシリーズは、サイズに対して高い熱汲み上げ能力を備えた小型熱電クーラーです。

HiTemp ETX シリーズ

タークサーマルシステムズは、熱電技術を活用した熱管理における60年の経験に基づく専門知識を持っています。それにより、CMOSセンサー冷却向けの標準およびカスタム設計を提供しています。当社の新しいHiTemp ETXシリーズは、高い動作温度条件で優れた性能を発揮する高性能熱電クーラーです。この製品シリーズは、高温環境下で性能劣化を防ぐ強化熱電モジュール構造と、冷却能力を最大10％向上させる先進熱電材料を使用しています。改良された断熱バリアを利用することにより、標準の熱電冷却器と比較して、HiTemp ETXシリーズは最大83°Cの温度差（ΔT）を実現できます。屋外で使用するハイエンドイメージングシステムの画像解像度を最大化するには、アクティブなスポット冷却が必要です。当社は、熱抵抗を最小限に抑えるためにホット側とコールド側の熱交換器を最適化する設計ノウハウを持っています。

幅広いヒートポンピング容量とフォームファクタを提供するために、HiTemp ETXシリーズには、幅広いアプリケーションをサポートする50以上のモデルがあります。タークサーマルシステムズの堅牢な熱電冷却器の構造は、標準グレードの熱電冷却器が使えないような高温環境でイメージセンサーを熱から守ります。

ETXシリーズ

Tark Thermal SolutionsのHiTemp ETXシリーズは、幅広いCMOSセンサー用途に対応する50機種以上のモデルを備えています。

結論

CMOSイメージセンサーは、コンパクトなサイズ、高フレームレート、高解像度、そして過酷な環境下での信頼性の高い動作が求められる高性能用途へと広がり続けています。これらのシステムが屋外、自律型、産業用、科学用途へ展開されるにつれ、熱管理は不可欠な要素となっています。

熱電冷却は、暗電流を低減し、熱ノイズを抑え、ダイナミックレンジを改善し、センサーを最大動作温度以下に維持することで、CMOSセンサーの画質維持に貢献します。

Tark Thermal SolutionsのOptoTEC™ OTX/HTXおよびHiTemp ETX熱電クーラーは、コンパクトかつ高温環境下のCMOSセンサー用途向けにアクティブなスポット冷却を提供します。これらのソリューションは、要求の厳しいイメージング環境において、エンジニアが画像解像度、システム信頼性、長期性能を向上させるのに役立ちます。

OptoTEC OTX/HTXシリーズまたはHiTemp ETXシリーズの詳細については、当社ウェブサイトをご覧ください。