計測情報処理論
撮像系入門
撮像系について
CCDなど
撮像素子
素子駆動回路
信号処理回路
キャプチャ
回路
レンズ系
光を電気信号に変える方法は?
電気信号の取り出し原理は?
撮像素子の特性や画質劣化は?
カメラの選択方法は?
素子の駆動方式は?
読み出し速度は?
色信号の計算方法は?
明度値は正確か?
光を電気信号に変える
• 光の量を測る
– カメラの露出計に使われてきた
(人間は環境の絶対的な明度が分かりにくい)
ライカMCメーター
光の量を測る素子
• 光エネルギーを電気エネルギーに変える
– フォトダイオード
– 太陽電池(実はフォトダイオードの一種)
• 光の強さによって抵抗値を変える
– CdS(硫化カドミウム)セル
– 光電管(Photo tube)
CdSセル(1)
• 硫化カドミウム(化合物半導体)が光によって
抵抗値を変化させる性質を用いた光センサ
– 光が当たることで化合物半導体内部に自由電子
が発生し,電流が流れやすくなる.
– 光量変化による抵抗変化が大きい
– 変化追従は遅い
– 安価
撮像素子には
利用不可能
CdSセル(2)
• 電極間に CdS を蛇行
– 幅を広く,距離を短く
光電管(1)
• 光電効果
– 金属に光子を当てると電子が弾き飛ばされる現象
e光
金属
• 光電効果の性質
– 入射光の振動数が一定以下(波長が一定以上)で
は電子が放出されない
– 電子の個数は光の強度に比例
光電管(2)
• 飛び出した電子を捕まえるには
•電圧をかけて電子を引き寄せる
•電圧を上げると応答速度が速くなる
光電管(3)
• 感度を上げる方法(光電子増倍管)
•ダイノードと呼ばれる物質(SbCs, AgHgなど)に電子
を当てると,10倍程度の2次電子が放出される.
光電管(4)
• スーパーカミオカンデの光電子増倍管
• スーパーカミオカンデの光電子増倍管(破損時)
フォトダイオード(1)
• 光センサの主役
– p型半導体とn型半導体の接合面で生じる
光電子を利用
フォトダイオード(2)
• pn接合起電力の利用
内部光電効果によっ
て生じた電子と正孔
が,n型・p型半導体
にそれぞれ引き寄せ
られることによって電
流が発生(ただし非
常に微弱)
フォトダイオード(3)
• 逆バイアスによる蓄積効果の利用
フォトダイオード(4)
• 逆バイアスによる空乏層の拡大
余談:露出計の歴史
• セレン式(太陽電池式):電池が不要
– 1950年ごろ
ライカMCメーター
• CdS 式:感度が高い(が反応が遅い)
– 1960年ごろから
ライカMRメーター
• フォトダイオード式:感度高く反応も速い
– 1970年ごろから
現在のほとんどの機種
2次元撮像素子
• 2次元的な光の分布をどのように計測するか
センサをひたすら並べる?
全てのセンサに配線する?
2次元撮像素子
• 配線数を少なくする
ためには,端から
順次読み出す構造
が必要である
電気信号
温故知新:撮像管
ランダム
アクセス可能
• 飛び出した電子を磁場で偏向する
撮像管とブラウン管
• 共通点:磁場で電子を偏向
蓄積型:イメージオルシコン
2次電子を放出
したターゲット
は,電子が抜け
た分だけ正電
荷を持つ.その
ため背後から
電子を打ち込ま
れるとその電子
を吸収するが,
正電荷を持た
ない部分は電
子を反射する.
• ターゲットに電荷を蓄積
ランダム
アクセス不向き
CCD(電荷結合素子)
charge coupled device
• 静電効果により電子を移
動させるデバイス
– 受光素子に限らない技術
– CCD とは,電子の移動方
法(画像の読み出し方法)に
関する名称
• フォトダイオードが発生した
電子をCCDにより移動
CCD の原理
• 電子を電場で引き寄せて移動する
温故知新2:ディレイ回路(1)
• 電気信号を一定時間遅らせるには
– ムダ時間系の作成
3ヘッドテープデッキを用いたディレイ
ディレイ回路(2)
携帯電話の
フィルタなど
• SAWフィルタ(表面弾性波フィルタ)
ディレイ回路(3) BBD
• BBD = Bucket Brigade delay
(バケツリレー式ディレイ)
CCDの原型とも言うべき素子
MN3004
ディレイ回路(4) 現在
AD converter
CPU
DA converter
RAM
• 音声用・映像用などの長時間の
ディレイはディジタル式が主流
フルフレームトランスファ型
• 転送時に遮光する必
要がある(メカニカル
シャッターが必要)
• 開口効率が高い
• 製造が容易
• デジタル一眼レフカメ
ラなどに採用
フレームトランスファ型
• 蓄積部へ全体を
転送してから,
ゆっくり読み出す
ため,垂直転送速
度を読み出し速度
より高速化するこ
とが出来る
インターライントランスファ型
• 最もポピュラー
• メカニカルシャッ
ター不要
• 高速シャッター
が可能
フレームインターライントランスファ型
• 最も高級な方式
• 放送用カメラなどに採用
• スミアが徹底的に少ない
CCDの画質劣化
• スミア
– 強い光が入ったとき,その電子が転送方向に
広がること
• ブルーミング
– 強い光が入ったとき,その電子が周辺へ広が
ること
• 熱雑音
– 自由電子の熱運動により,光が当たっていな
いところにも電子が蓄積されること
スミア
• 電荷の転送中(読み
出し中)に入射した光
が読み出し方向に尾
を引くこと
スミアの発生
遮
光
膜
遮
光
膜
遮
光
膜
遮
光
膜
• 遮光の不完全
や,フォトダイ
オードから転送
チャネルへの電
荷の漏れ出しに
よる
アンチブルーミング
• 漏れ出た電
流を捨て去る
「排水溝」を
用意
電荷転送方式まとめ
○画素面積が大きく取れる
○スミアに非常に強い
(感度面で有利)
×チップ面積が大きくなる
×スミアが出やすい(転送中
×画素面積が制限される
の露光による)
○スミアが押さえられる
×画素面積が制限される
オンチップレンズ
CCD素子の例
• ソニー 1/6inch CCD
かなり小型化している
非正方格子
CCDの内部回路
• 通常,信号発
生回路等は
含まれない
(チップセット
等により供
給)
• カラーフィルタ
は4種類搭載
読み出しと色の計算
• フィールド毎に縦2画素を
結合して読み出し(インタ
レースのため)
• 色差信号は,左右画素の
和,差で計算
• 色差信号=(Y, R-Y, G-Y)
読み出しと色の計算
分光感度特性
転送方式
• 2相転送方式
ダウンロード

光センサ,撮像管,CCD