デジカメのセンサーについての疑問

質問

見た目の格好良さだけに釣られて、ミラーレス機を買いました。
只、カメラは初めてだったので少しはデジタルのことを理解しようと思い、カタログなりを見ています。
そこで、疑問に思ったことがあるので、ご教授いただければ幸いです。

(1)裏面照射型センサーというのがありますが、このセンサーは表面照射型に比べて、テレセントリック性に対しても、有利に働くのでしょうか。
(2)ＣＣＤと比べた場合どうでしょうか、どちらが良いかなど、あるのでしょうか。
(3)そもそもマイクロレンズを使っていれば、テレセントリック性をそれほど考慮しなくても良さそうな気がするのですが、初期の頃のセンサーはマイクロレンズを使っていなかったのでしょうか。私が、根本的なところで考え違いしているのでしょうか。

言葉の使い方が合っているのか？きちんと通じているのか？
訳わからなかったらご指摘下さい。

ひとつだけでも結構です。また、歴史的な経緯など交えていただくと嬉しいです。
などと図々しいことまで書いてしまいましたが、
よろしくお願い致します。

回答No.1

x530 · ベストアンサー

> (1)裏面照射型センサーというのがありますが、このセンサーは表面照射型に比べて、テレセントリック性に対しても、有利に働くのでしょうか。
・Yes
携帯電話向け～コンパクトデジタル向けの場合、表面照射型センサーの開口部は配線層の厚さよりも小さくなります。
だから表面照射型センサーはトンネル状態です。

> (2)ＣＣＤと比べた場合どうでしょうか、どちらが良いかなど、あるのでしょうか。
・裏面照射型センサーのメリット。
飽和特性は今まで通りで、高感度特性に優れている。
このため、広いダイナミックレンジが得られる。

・裏面照射型センサーのデメリット。
裏面照射型センサーは相対的なSN比がCCDよりも悪い。
例えば、CCDの最低出力～飽和出力の間のノイズ発生量が5%だと仮定すると、裏面照射型センサーは倍の10%程度に悪化します。
これは、もともとノイズの多い高感度域では目立たないが、本来、もっともノイズの少ないISOが低い、低感度撮影でノイズが目立ちやすい。

(1)と(2)の回答詳細は、下記リンクをご覧下さい。
http://aska-sg.net/maker_int/makers-005-20081029.html
http://dc.watch.impress.co.jp/docs/news/interview/20090918_316617.html

> (3)そもそもマイクロレンズを使っていれば、テレセントリック性をそれほど考慮しなくても良さそうな気がするのですが、初期の頃のセンサーはマイクロレンズを使っていなかったのでしょうか。
・本来、センサー外編部のマイクロレンズオフセットは、望遠レンズと広角レンズでは、変わります。
望遠レンズに最適化すれば、広角レンズではオスセットがずれるため、光量が減少し外編部の有効感度が低下してしまいます。
逆に、広角レンズに最適化すれば、望遠レンズでは外編部の有効感度が低下する欠点がマイクロレンズにはあります。

・初期の頃に限らず、現在でもプロ用デジタルバックに採用されているセンサーにマイクロレンズはありません。
マイクロレンズを搭載しない理由は、プロ用デジタルバックのセンサーは充分な開口率が得られるため。
三脚使用が前提であり、高ISO化するメリットが少ないため。
多少感度が低くても、センサー全面への均一な受光特性を優先しているわけです。
http://www.phaseone.com/ja-jp/Digital-Backs/IQ180/IQ180-Info.aspx

お礼

お返事が遅れたこと、お詫びいたします。

内容を読んで、自分が如何に画一的な考え方しかしていなかったかに、ハッとさせられました。
フォトダイオードの大きさの違い、センサーの中心と周辺、レンズの焦点距離や絞り、入射光の違い、スタジオ撮影かスポーツ撮影かなど撮影環境、多項目のトレードオフでの最適化という考え方が抜けていました。
恥ずかしい限りです。
また、知らなかった事も数々あり、ＵＲＬなども紹介して頂いて感謝しています。
マイクロレンズを使っていないプロ用機器があるとは、
ローパスフィルター（これがまた…、これは新たに質問するつもりです）無しのイメージセンサーや、交換できるタイプがあるのは聞きかじっていましたが、マイクロレンズ有無の記述は見たことがありませんでした。

じつは解らない箇所もあるので、質問よろしいでしょうか。

＞飽和特性は今まで通りで、高感度特性に優れている。
飽和特性というのが解らないので検索してみたところ、直接の答えは見つからず、トランジスタの飽和についての記述（入力が増加しても出力は一定との記述がありました）からの想像なのですが、同一条件では白飛びしにくい（ざっくり言うと）と捉えて良いのでしょうか。
（ＩＳＯ感度を上げるという操作は、センサーにより高い電圧を掛けることになるのでしょうか？何か書いていて分からなくなってきました）

＞・本来、センサー外編部のマイクロレンズオフセットは～
オフセットとはフォトダイオードとマイクロレンズとが、一定の距離で離れている。
と、いうことですよね。
センサーの中心部と周辺でその距離が異なるとか、一つのマイクロレンズ中心軸とフォトダイオード受光面中心とをずらしている。などではないですよね。

最後になりましたが、お答え頂きましてありがとうございます。
今後ともよろしくお願い致します。

回答No.2

x530

No.1です。
> ＞飽和特性は今まで通りで、高感度特性に優れている。
> 飽和特性というのが解らないので検索してみたところ、直接の答えは見つからず、トランジスタの飽和についての記述（入力が増加しても出力は一定との記述がありました）からの想像なのですが、同一条件では白飛びしにくい（ざっくり言うと）と捉えて良いのでしょうか。

センサーの受光素子はフォトダイオードです。
フォトダイオードはアナログ素子ですから、センサーの出力はアナログです。
センサーのアナログ出力は、光の強さに応じて児童公園の滑り台の滑り板に似た、光の強さと出力値が比例する斜直線を描く出力です。

この出力のウチ、以下の２カ所をカットしてＡ／Ｄコンバータに渡しデジタル化しています。
２カ所は、直線ではなくカーブになる、滑り出しと滑り終わりの部分。（比例関係が崩壊する部分）
１・フォトダイオードの最少受光量以下の弱い光では、滑り台の一番下の部分のように、なだらかな曲線を描きます。
２・フォトダイオードの最大受光量以上の強い光では、滑り台の一番上の部分のように、なだらかな曲線を描き、最後は完全飽和します。

裏面照射型ＣＭＯＳセンサーは、配線層とフォトダイオードの位置関係を逆転したセンサーですから。
フォトダイオード自体に多くの光が届きやすいセンサーです。
例えるならば、滑り台の滑り板が長いセンサーだと言えます。
（２）の部分を従来のセンサーと同様にセッティングした場合（１）の部分が従来のセンサーよりも、裏面照射型センサーの方が、滑り板が長い分、低照度に有利に働くことになります。

> （ＩＳＯ感度を上げるという操作は、センサーにより高い電圧を掛けることになるのでしょうか？何か書いていて分からなくなってきました）

ＩＳＯ感度を上げるということは、アンプ（増幅器）を使うことです。
ＩＳＯ感度が高い設定ほど、アンプによる増幅量が大きい。

センサーアナログ出力＝＞（増幅器）＝＞Ａ／Ｄコンバータ＝＞デジタル出力

欠点は、アナログデータには必ずノイズが乗っていること。
アナログデータを増幅するとノイズも増幅されてしまうことです。
だから、ＩＳＯ感度を高くするとノイズが増えてしまうのです。

一例：
ソニーＩＭＸ０２１の場合、図１のＡ／Ｄ変換器に増幅器があります。
http://www.sony.co.jp/Products/SC-HP/cx_pal/vol74/pdf/imx021.pdf
３重のノイズ対策は、ノイズ除去に必死であることが良く分かります。

> ＞・本来、センサー外編部のマイクロレンズオフセットは～
> オフセットとはフォトダイオードとマイクロレンズとが、一定の距離で離れている。
> と、いうことですよね。
> センサーの中心部と周辺でその距離が異なるとか、一つのマイクロレンズ中心軸とフォトダイオード受光面中心とをずらしている。などではないですよね。

それが、あるんですよ。
従来型センサーは、言うなれば筒の奥にフォトダイオードがあるような構造。
裏面照射型センサーでもフォトダイオードの前にあるシリコン板の厚さは３ミクロン程度。
１６００万画素のコンデジ用センサーだと、３ミクロンの厚板は結構な厚さになります。

参考：中段
http://www.four-thirds.org/jp/fourthirds/index.html

で、この解決策として、マイクロレンズの設置位置の最適化が行われています。
センサーの「ど真ん中」あたりに形成されるマイクロレンズは、フォトダイオードの真上。
センサーの外編部に行くほど、マイクロレンズの形成位置を中心側へずらして、出来るだけフォトダイオードに多く光が多くなるように調整しています。

欠点は、入射角が異なる超望遠～超広角まで、すべてを一つのマイクロレンズでカバーすることは不可能なこと。
外編部のマイクロレンズを、超広角にセッティングすれば、望遠レンズでの集光特性が悪化しノイズが増える。
だから、適当なところを落とし所（妥協点）としています。

お礼

またもやこちらの都合で、お返事が遅れてしまい申し訳ございません。
解らない箇所を教えて下さり、ありがとうございます。
それもかみ砕いて、丁寧に説明して頂きまして、本当に感謝しています。

イメージが掴めました。
同じ光量でも、多くの光を集められる（光が多く当たる）ので、例えると滑り板が長くなる。
長い分が低照度の優位性と、より高感度への対応に繋がる。
そうですよね、暗い所がしっかり写らなければ―センサーが読み取れなければ―感度を上げても、意味がないですものね。
私が考えていたのとは逆でした。

オフセットとは、そういう意味のオフセットですか。
そこまでやっているとは驚きです。
発音できない文字表記や顔文字では表現はできませんが、本当に驚いています。
と同時に、馬鹿げた質問だと取り下げなくて良かったとも思っています。
何か「カタツムリの殻を研究し、汚れが容易に落ちるタイルを開発した。」と言う話を、ふと思い出しました。
ま、タイルは殻の構造を真似て同様の結果を得ようとしたのですが、フイルムにはマイクロレンズのような構造は無いですし、フイルムは人工物で、カタツムリは自然物ですけれども。

これで質問した疑問点は解消されました。
（もちろん、疑問点が無くなっただけで、誤解している所もあるでしょうし、全てが解った訳でもありません。新たな疑問も生じましたが、これは整理してから新たに質問することにします。）

回答(1)，(2)共ですが、一講義に相当する回答をして頂き、何とお礼をしたらよいのかわからないくらいです。
今回は本当にありがとうございました。
今後ともよろしくお願い致します。