スマホのカメラは、光を“数えて”いた。CMOSイメージセンサの仕組み

光を受けて電気に変える半導体の全体像は「光る半導体、受ける半導体。電気と光を橋渡しする“光半導体”」で扱いました。本稿はその代表格、CMOSイメージセンサの中身に踏み込みます。

CMOSイメージセンサとは何か

CMOSイメージセンサとは、光を電気信号に変換して画像を作る半導体です。「CMOS」は一般的なロジックチップと同じ製造技術の名前で、つまり通常の半導体工場の技術でカメラの“目”を作れることが特徴です。

センサの表面には、「画素（ピクセル）」と呼ばれる小さな区画が格子状に並びます。4,800万画素のセンサなら、4,800万個の区画が並んでいます。各画素の中心にあるのがフォトダイオードという素子で、光が当たると、その量に応じた数の電子が生まれます。明るい場所の画素には多くの電子が、暗い場所の画素には少しの電子がたまる——この電子の数を画素ごとに読み出して並べ直すと、1枚の画像になります。

どうやって色を見分けるのか

フォトダイオードは光の量しか測れず、色はわかりません。そこで色を見分ける仕掛けが、画素の上に載せたカラーフィルターです。

赤・緑・青のフィルターを市松模様に並べ、各画素が1色の光だけを受け取るようにします。代表的な並べ方が「ベイヤー配列」で、人間の目が最も敏感な緑を、赤や青の2倍の数だけ配置します。各画素は自分の担当色の明るさしか知らないため、残りの2色は周囲の画素の値から計算で補います。この補間処理を画像エンジンが行うことで、フルカラーの写真が生まれます。

裏面照射と積層は何を変えたのか

画質の進化を決定づけたのが、「裏面照射（BSI）」と「積層」という2つの構造のブレークスルーです。どちらもソニーが量産で先行しました。

従来のセンサは、フォトダイオードの上に金属の配線層があり、光の通り道を配線がふさいでいました。そこで裏面照射は発想の転換で、ウェハーを裏返して薄く削り、配線のない裏側から光を受けます。これにより光をさえぎるものがなくなり、感度が大幅に向上しました。ソニーは2009年、この裏面照射型センサを世界で初めて量産しています（ソニーセミコンダクタソリューションズ）。

続くブレークスルーが積層型です。それまで1枚のチップに同居していた画素部分と信号処理回路を、別々のウェハーで作って貼り合わせます。画素は感度に最適なプロセスで、回路は微細なトランジスタで、と分業できるため、小さな面積に高画素・高速読み出し・多機能を詰め込めるようになりました。近年はさらにAI処理回路を積層し、センサ自身がその場で画像を認識する——つまり“目”が考える方向に進んでいます。この流れは「クラウドに送らず、その場で考える。エッジAIという選択」とつながる話です。

市場はどこが強いのか

イメージセンサ市場は、ソニーの一強に上位勢が続く構図です。2025年の売上ベースで、ソニーが世界シェア43.4%の首位、サムスンが約20%で2位、米オムニビジョンを含む上位5社で市場の8割超を占めます。市場規模は200億ドルを超えます（Mordor Intelligence等）。

ソニーの強みは、裏面照射・積層という構造の世代交代を毎回先頭で量産化してきた製造技術と、スマホ大手への供給実績です。なぜならイメージセンサは通常のロジックと違う特殊な前工程を使うため、設計と製造のすり合わせが効くからです。チップ製造工程の全体像は「1枚のシリコンが、チップになるまでの数百工程をたどる」で扱った通りです。

用途の主戦場はスマホですが、次の成長領域は車です。なぜなら自動運転支援（ADAS）が進むほど、1台の車に載るカメラは10個を超えていくからです。監視・産業・医療、そしてAIが「目」を必要とするすべての場所で、光を数えるこの半導体の出番が増え続けています。

この記事のまとめ

• CMOSイメージセンサは、光を電子に変えるフォトダイオードを画素として並べ、光を“数えて”画像を作る半導体。
• 色は**赤・緑・青のカラーフィルター（ベイヤー配列）**で見分け、足りない色は計算で補う。
• **裏面照射（BSI）**は配線のない裏側から光を受けて感度を高めた構造で、ソニーが2009年に世界初量産。
• 積層型は画素層と回路層を貼り合わせ、高画素・高速・AI処理内蔵への道を開いた。
• 市場はソニーが世界シェア43.4%で首位。スマホ中心から車載・産業・AIへ用途が広がる。