デジタルカメラのイメージセンサーと画素数

デジタルカメラのイメージセンサーとして使われるCMOSイメージセンサーやCCDといった半導体は、それだけでは色を識別することが出来ません。

光の強弱を区別することが出来るだけのセンサーです。

元々がそういう仕組みの半導体でどうやってカラーの画像を生成するのかにいろいろな工夫があり、そのやり方によって出力される画像にセンサーの種類ごとの特徴が現れてきます。

  • カラー画像を生成する仕組み

デジタルカメラに使われる一般的なイメージセンサーでは、センサーの画素に光の三原色である赤、緑、青の3色のカラーフィルターがかかっています。

このカラーフィルターとの組み合わせよってはじめて、赤を感じ取る画素、緑を感じ取る画素、青を感じ取る画素が作られます。

もっとも一般的なイメージセンサーでは、4つの画素のうち2つが緑のフィルターなのに対し、青と赤は1つずつという配置になっています。この配列のことをベイヤー配列と呼んでいます。

ベイヤー配列

つまり、デジタルカメラの仕様に書かれている画素数の全ての画素ですべての色を感じることは出来ない、ということになります。緑は総画素数の半分、青と赤に関しては、総画素数の1/4に相当する解像度しかない、ということでもあります。

こういった元々のイメージセンサーからの情報を元に、総画素数に近い画素数のフルカラーの画像を生成するために、周辺の別の色を感じるセンサーからの情報を元に、ある画素での本来の色を「予測して」「補完」する処理を映像エンジンの内部で行っています。

このため、一般的なデジタルカメラでは、画像の細かな絵柄の部分で本来存在し得ない色が生成されてしまったり(偽色)、細かな規則性のある画像が繰り返されたりする場合にモアレが発生してしまったりします。

映像エンジンの画像生成処理の方式を工夫していくことでこれらの現象は起こりにくくはなっていますが、ベイヤー配列の一般的なイメージセンサーを使用する限り、偽色やモアレの発生を完全に防ぐことは出来ません。

偽色やモアレを防ぐためにイメージセンサー側にも工夫が入っているのですが、それはあえてイメージセンサー上に写る画像をほんの少しぼかすことで、これら現象を防ごうとするものです。本来の意味であれば画質を落とす元でもあります。その画像をぼかすために使われる光学的なパーツをローパスフィルターと呼んでいます。

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偽色やモアレを根本から出さない取り組み

ローパスフィルターはあえて画質を落とす仕組みですので、これを省ければ、より先鋭度の高い画像を得ることが出来ます。このため、原理的に偽色やモアレを起こさない(起こしにくい)仕組みも考えられています。

それらの方式としては、以下のようなものがあります。

  • 三板式センサー
  • FOVEONセンサー
  • Xtransセンサー

三板式センサーは、ビデオカメラでは良く用いられる方式です。

赤、緑、青の光の三原色それぞれに、専用のイメージセンサーを用意する方法です。光を正確にRGBに分けて3つのセンサーに導く仕組みが必要になる上、センサーは3つ必要となるため、どうしても部品代が高価になります。静止画用のデジタルカメラへの採用例は今のところ存在しないと思います。

FOVEONセンサーは三板式センサーを1枚のイメージセンサーにまとめてしまったようなものです。半導体に光がほんの少しだけですが、内側まで入り込むこと、光の波長により入り込む深さが異なることを利用して、1枚の半導体の中にRGBそれぞれを感じる層、3つを作ったセンサーというイメージです。

モアレは、規則性のある絵柄を周期性の高い配列のイメージセンサーで読み取ったときに発生するものです。これに対処するために、Xtransセンサーはカラーフィルターの配置の周期性が低くなるようにして、モアレや偽色の発生を元から絶とうとするコンセプトです。

これら3つの方式ではどれもローパスフィルターが不要ですので、これらのセンサーを採用したカメラでは非常に解像感の高い画像が得られるのが特徴です。

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