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2012年9月 8日 (土)

デジタルカメラ(デジタル一眼)にメカシャッターは必要か?(必要な理由は?)

この話を語るには・・色々な前提条件やら・・注意書きが必要なので、最初に断っておきます。   
   
◆web上で色々と調査しましたが・・自身の納得できる回答にめぐり逢えなかった・・    
◆この件を知りたいと言う方であればある程度の専門知識を既にお持ちだと仮定しておりますので、優しい解説は期待しないでください。    
◆一般論以外に自身の推論も含まれるので、100%真実である保証はありません。    
◆結論を一言で言うと・・「CCDはスミヤとブルーミング対策でメカシャッターが必要」「CMOSセンサはローリングシャッター (電子的に)なのでメカシャッターが必要」なのだが・・
CMOSセンサに関しては何故?と言う答えが見つからない!(ー_ー)!!
だったら俺様が答えを作ってやるぜ。。      
   
まず、使用されるセンサによって問題点が異なるのでセンサごとに話を進めます。    
   
1.CCDセンサ(もっともポピュラーなIT方式を前提とします)    
基本的な半導体内部の回路構成として、PD(フォトダイオード)、MOSキャパシタゲート回路により構成されている。また、外付け回路にCDS回路、A/D、タイミングジェネレータや垂直ドライバー等が必要になる。。。    
   
(1)撮像の基本的な流れとして・・    
   
①PDに逆バイアスをかけることでPD自身に電荷が蓄積されていく。バイアスをかける時間が露光時間となる。    
②PDに溜まった電荷をMOSキャパシタに転送する。MOSキャパシタはPDの数+αがあるので全てのPDの電荷を一括でサンプリングできる。    
③CCDによって(動画用、静止画用でも)制御は変わるが、垂直・水平・クロック信号により順次転送を始める。    
④転送されてくる電荷はCfd(フローティングディフュージョン)と呼ばれるコンデンサ(キャパシタ)とAMPによって電圧変換される。ΔVfd= Q/Cfd (Qが転送される電荷量、Cfdがキャパシタ容量)    
⑤この時、CDS回路(相関2重サンプル)によってKTCノイズを除去する。    
⑥画素ごとにアナログ・デジタル変換されていく・・・・って感じ!    
   
(2)スミヤ・ブルーミング      
      
上記の様に、CCDの電子シャッターはグローバル(一括)シャッターなので全画素の時間軸は一致しているし、露光の時間も正確に制御できます。だったら・・必要ないじゃん!って思ったのですが・・CCDは露光をしない時でも強い光が当たるとエネルギーがその周辺(ブルーミング)や垂直方向(スミヤ)に溢れてしまうことがある。(どんな映像になるかは検索すればすぐ見つかります)なので・・メカシャッターがあれば、光そのものが入らないのでスミヤ・ブルーミングを防止できる!と言うことになる。(これは簡単・・!)    
   
2.CMOSセンサ(ローリングシャッターの一般的なもの)    
基本的な半導体の内部構造はメーカーの独自性が強く詳細は一般公開されないケースがほとんどです。これは、CMOSセンサが一般的な半導体と基本構造が同じであるためASICと同様にカスタマイズが基本だからと思われる。センサの中にAMP、A/Dはもちろんメモリ・マイコン・DSP、JPEG、H264だって入れようとすれば技術的には可能と思われる。    
   
概略として、CCDとは転送方式が違うだけで基本的な考え方は同じです。CMOSセンサでは、1ラインごとに露光、電荷の転送、A/D変換が行われる。つまり、露光に時間軸のズレがあるのだ!ラインの上と下で少しずつ時間がずれて行く。これだと、撮影対象に動き(移動していると)があると・・対象物が斜めに歪んで撮影されてしまう。。だから・・メカシャッターがあれば・・    
①メカシャッターは閉じている状態で・・    
②全PDのバイアスをかける。    
③メカシャッターを開く->光を入射->メカシャッターを閉じる    
全PDの蓄積までは同時にできる。    
⑤後はラインごとに読み出しをすればいい。    
これで、PDごとに転送するキャパシタが無くても、同時性と、露光時間の制御は可能となる・・・    
   
では何故??CMOSセンサはCCDと同じように一括(グローバルシャッタ)で電子シャッタはできないのか??・・これは実は不可能ではない、そのような製品も存在する。単純に言えば・・露光した電荷を保存するところ(キャパシタ)が画素ごとにあればいい・・また・・読み出しをする別のキャパシタを設ければ・・露光中でも読み出しが可能になる・・でもこんな回路では半導体のサイズやコストがどうなるかわからない!!なので・・ソリューション(問題解決)の一つとして・・ローリングシャッター+メカシャッターの合わせ技でベストバランス(コンシューマ向けと考えた時、半導体のサイズやコストバランス、消費電力を考慮し、これがベストバランスなのだろう!)を得ようとしている。と推察している。。。。(メーカーのシーズだよね!消耗品であるメカシャッターを搭載することが、ユーザのニーズとは思えないし・・)    
   
どうだろう??これであなたの疑問は少し晴れてくれただろうか?    

※半導体のコストは大半がサイズ(面積)によって決まってしまう。これは、ベースとなるシリコンウェーハから何個のチップが製造できるか・・で決まってしまうためだ。    
※よく「メカニカル式フォーカルプレーンシャッター」とCMOSセンサの「電子式ローリングシャッター」が同一語として語られるとこがあるがこれには疑問を感じる。。まったく「紛らわしい」と言わざる得ない。。また、KTCノイズをリセットノイズと呼ぶこともあり・・混乱することがある。。    

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コメント

おむかいさん こんばんは~疑問が晴れてくれましたか??お役に立てたなら幸いです。。

ありがとう、やっと分かった。ような気がします。

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