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センサーサイズと画質

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旅行用にカメラを買おうと思い、いろいろとカメラについて調べていました。

あまり重いカメラはどうせ持ち歩かなくなるだろうということで、ジャンルとしては「高級コンデジ」が一番ピンと来ました。

1インチサイズセンサーのやつですね。

種々の性能を考えるとCanon G7x mark2がスペック高そうだったので家電量販店にさわりに行ってきました。

G7xm2を見ていると、こちらのほうが画質いいですよーとG1xm3を勧められました。

センサーサイズがAPS-Cと大きくなったやつです。

営業トークで店員が見せてくれたのがスマホと1インチセンサーコンデジの写真の比較。魚の写真で明らかに画質違うのは素人目で見ても明らかでした。

しかし、そのあとの店員の「スマホと1インチでこんなに違うんですよ!1インチがAPS-Cになったら同じぐらい変わりますよ!」というトークには納得がいきません。スマホの写真はまだ改善の余地がたしかに見られましたが1インチの写真はもうこれ以上よくならないだろという出来だったからです。

「センサーサイズが大きい方が画質がいい」ということはまぁそうだろうなとは思うのですが、なんでそうなるのかスッキリしないんですよ。店員は「解像感が全然違います!」と言いますが、ぼくはそこの物理的背景が知りたいんですよ。

センサーサイズの大きさと画質の関係を詰めていきたいと思います。

*センサーサイズ(とそれに伴うレンズの焦点距離の変化)によって「ボケ」も変わってきますが、本記事では画質だけに注目します。

センサーサイズ = 受光素子の大きさ × 画素数

センサーサイズは1つ1つの受光素子の大きさとその数によって決まります。もちろんセンサー上に余白部分(配線など)はあるでしょうが数%の誤差でしょう。

要するに、センサーサイズが大きくなると同じ受光素子の大きさだと画素数を増やせ、同じ画素数だと受光素子を大きくできます。

画素数を増やすことで解像感が増すのは納得できます。ただ、巨大なポスターに印刷しない限り、2000万画素以上になってくるとそれほど違いはわからないと聞きます。

ブログ等にあげる写真はせいぜい1000 × 1000で100万画素相当ですからね。

ですので、少々大胆ですが、「画素数は2000万画素以上にしても画質は変わらない」という仮定をおいて、画素数2000万固定でセンサーサイズによる画質の違いを検討したいと思います!

受光素子が大きくなるとなんでいいの?

画素数を固定すると、センサーサイズで変わってくるのは受光素子の大きさです。

受光素子の大きさで変わるであろうことをリストアップします。

・レンズへの要求性能

・ダイナミックレンジ

・ノイズ耐性

ネットの諸々の情報からするとこの3つぐらいですかね。ではこれらを見ていきましょう。

レンズへの要求性能

これは最も理解が簡単です。

写真をとる風景を2000万画素に区切ります。そして、そのうち1画素分を受光素子に集めるのがレンズです。ここで、受光素子が大きければ大きいほどレンズが正確に光を集めなくていいでしょう。

ですので、「センサーサイズが大きいほどレンズへの要求性能が下がる」という効果はあるでしょう。

巷でみかける「余裕をもった設計」という言葉はおそらくこの効果を指しているのではないでしょうか。

逆に、レンズがめちゃくちゃ優秀だった場合、受光素子が小さくなっても大丈夫ではないかと考えられます。

 

ダイナミックレンジ・ノイズ耐性

ダイナミックレンジは大雑把には「検出できる最も小さな光」/「検出できる最も大きな光」が小さいほど優秀と言えます。

では、何がこれらを決めるのでしょうか。

受光素子に光が当たると、光によって電荷が生じます。この電荷を読み取るのですが、電荷がない状態が0で、光が当たれば当たるほど電荷が溜まっていきます。

受光素子にはCMOSとCCDがありますが、どちらも光から電気信号へ最初に変換する過程の物理は同じで、どちらも要は太陽電池と同じで光が当たることによって微量の発電をしているのです。

まず、「検出できる最も大きな光」ですが、これはどれほど電荷を貯められるのかという「電気容量」で決まります。

対して、「検出できる最も小さな光」は単純に考えると0ですが、実際には受光素子の中で発生するノイズ(たとえば熱によって電荷が勝手に溜まったりすること)があるので「ノイズと区別できる最も小さな光」が 「検出できる光」となります。

 

ここで問題となるのは受光素子の大きさがこれらの性能にどのように関わってくるのかという点です。

まずは、電気容量について。

電気容量は中学高校で習うように、コンデンサーの面積が大きくなればなるほど大きくなります。実際の受光素子に組み込まれているコンデンサーの大きさは知りませんが、受光素子を大きくするほどコンデンサーを大きくすることは容易であると考えられます。

続いてノイズについて。
ノイズについては受光素子の大きさによってどれくらい発生するのか分かりません。しかし、受光素子が大きいと、1つの素子に当たる光は大きくなるため、ノイズが素子サイズによらず一定だとすると受光素子が大きいほど弱い光を感知しやすくなると考えられます。

でもこの理屈でいくと、受光素子が大きいほど電気容量がすぐ一杯になってしまいそうです。

大きな光を小さくすることは簡単なのでノイズ耐性の方が重要になるのでしょうが。

今後、小さいセンサーサイズでも露光時間を長くすればS/N比をあげられるのかについても調べてみたいと思います。

 

 

 


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