デジタル カメラ センサーのしくみ |すべての詳細

デジタルカメラは私たちの身の回りにあり、さまざまな分野で使用されています。デジタル カメラは、スマートフォンだけでなく、監視アプリケーション、交通監視、最新の生産ライン、その他多くの業界でも使用されています。

デジタルカメラは、レンズからの画像情報を変換して画像を取得しますが、その変換処理を可能にするのがイメージセンサーです。また、カメラはこれなしでは機能しないため、デジタルカメラの心臓部とも考えられています。 デジタル カメラ センサーの仕組み ?

カメラ センサーとは?

カメラ センサーはすべてのカメラのマザー コンポーネントであり、センサーによって画像のキャプチャが可能になります。画像を形成するには、光が必要です。オブジェクトからライトが発生し、カメラ センサーに当たります。

センサーは光を捉え、光をデジタル形式に変換します。このデジタル形式は、私たちがデジタル画像と呼んでいるものです。

センサーはソリッド ステート デバイスであり、いくつかの小さなコンポーネントで構成されています。これらは

カラー フィルター配列

カメラセンサーは光だけを捉えることができ、色を捉えることはできません。カラー フィルター アレイにより、センサーは色を認識することができます。異なるカメラ センサー メーカーは、異なるタイプのアレイを使用しています。最も一般的な配列は Bayer GRGB です。

色を検出するためにすべてのピクセルに配置され、各ピクセルは 1 つの色のみを検出できます。したがって、このカラー フィルター配列は不完全なカラー サンプルを生成します。次に、デモザイキング プロセスを使用して、カメラはフルカラーで画像を再構成します。

ローパス フィルター

高周波光がセンサーを通過すると、画像の一部がぼやけることがあります。ローパスフィルターを使用して入射光の周波数を抑制し、画像をエイリアシングから保護します。

エイリアシングは、画像に繰り返しのディテールを生じさせる可能性があり、その結果、ぼやけが発生します。しかし、光の周波数を制限すると、画像のディテールが減少します。メーカーは写真を鮮明にして、詳細に見えるようにします。

赤外線フィルター

赤外線は画像に色かぶりを引き起こす可能性があり、イメージ センサーは赤外線に非常に敏感です。赤外線がセンサーに到達するのを防ぐために、レンズとローパスフィルターの間にミラーがあります。この鏡が赤外線フィルターです。

回路

どのセンサーも同じ働きをしますが、構造が異なります。最も一般的な 2 つのセンサー タイプは、CCD と CMOS カメラ センサーです。 CCD タイプのセンサーは、各キャビティまたはフォト サイトから電荷を収集し、遮光されたピクセルの垂直アレイを使用してセンサーから電荷を転送します。

CMOSタイプのセンサーには、すべてのピクセルに信号増幅器があります。キャビティから電荷を収集し、電荷を電圧に変換してピクセル上で増幅します。このセンサーは、CCD センサーのように電荷ではなく電圧を生成します。

ただし、すべてのピクセルで電荷を増幅するため、画像にノイズが発生する可能性があるため、ほとんどの COMS センサーには余分なノイズ低減回路が含まれています。

ピクセル

ピクセルは、高感度の光検出器を使用して、ピクセルに当たる入射光の量を測定します。これらの光または光子は、シリコンから電子を放出させ、フォト サイトで電荷を形成します。

マイクロレンズ

マイクロレンズはセンサーの非常に重要な部分です。光をピクセルに集中させることで、センサーの感度を高めます。センサーの回路はすべてのピクセルの一部を占めているため、マイクロレンズは光を集中させ、光は回路の影響を受けません.

これらすべてのコンポーネントが連携して、光情報をデジタル画像に変換します。

デジタル カメラ センサーの仕組み

デジタル カメラは、画像をキャプチャするのに 1 ミリ秒もかかりませんが、この短い時間内に多くのタスクを完了します。カメラ センサー自体が主要な操作を実行します。

それが行うことは、入射光を捉え、光をデジタル形式に変換することです.それだけですが、そのプロセスはそれほど単純ではありません。

カメラのシャッター ボタンを押すと、センサーの空洞が光にさらされます。センサーには数百万のピクセルがあり、センサーのピクセル数は空洞と同じであり、これらの空洞はフォト サイトと呼ばれます。

フォト サイトは光に敏感で、センサーのこの部分が光を捉えます。カメラのシャッター ボタンを押すと、これらのフォト サイトに光が当たり、露光が終了すると閉じます。

この短い露光時間の間に、光がフォト サイトに当たり、フォト サイトがわずかな電荷または信号を生成します。

露光時間が長いほど、撮影場所に当たる光の量が多くなります。同じことが明るい光にも当てはまります。つまり、明るい照明条件では、より多くのフォトンが写真サイトに当たることができます。

より多くのフォトンがフォト サイトに衝突するほど、より多くの電気信号が生成され、画像がよりシャープになります。

したがって、各ピクセルのフォト サイトは異なる量の電気信号を生成します。カメラはこれらの信号を測定し、測定結果はさらにアナログからデジタルへのコンバーターを使用してデジタル値に変換されます。結果の値は、画像と呼ばれるものです。

写真の場所は色を見ることができないため、電気信号を変換できますが、グレースケールに注意してください。そのため、イメージ センサーは一連のカラー フィルターを使用して色を検出します。配列カラー フィルターの最も一般的なタイプは、Bayer フィルター配列です。

各写真サイトの上に、このベイヤー フィルターがあります。ピクセルの 4 分の 1 は赤色を測定し、別の 4 分の 1 は青色を測定し、ピクセルの半分は緑色を測定します。各ピクセルは 1 つの色しかキャプチャできません。

青のフィルターは青を、赤は赤を、緑は緑を捉えます。フィルターの色と一致しない光は跳ね返されます。つまり、各色をキャプチャするために無作法な光の 3 分の 2 を失うため、画像の明るさは色解像度の 3 倍になります。

各写真サイトが 1 つの光の色をキャプチャすると、カメラはその光にプリセットされている他の 2 つの色を推測します。全体として、カメラは隣接するすべてのピクセルから色信号を補間し、各ピクセルの完全な色値を計算します。

すべてのピクセルからの色情報がつなぎ合わされ、デジタル画像が作成されます。

次を読む:カメラ レンズの読み方

よくある質問 (FAQ)

カメラ センサーはどのように光を見ることができますか?

デジタル カメラ センサーには、光に敏感な何百万もの写真サイトがあります。カメラのシャッター ボタンが押されると、これらのフォト サイトが光にさらされ、これらに当たった光 (フォトン) がキャプチャされます。

センサーはどのように画像をキャプチャしますか?

光がセンサーの空洞に当たると、電気信号が生成されます。カメラセンサーが情報を測定し、それらのデータをデジタル形式に変換します。次に、これらすべてのデジタル データをつなぎ合わせて、画像を作成します。

結びの言葉

画像をキャプチャすることは大したことではありません。しかし、カメラセンサーの内部で行われるプロセスは決して単純ではありません。このガイドで、デジタル カメラ センサーの仕組みについて理解を深めていただければ幸いです。 .