コンパクトデジカメの画素数と光学系の精度との関係

最近のデジカメは、画素数が1200万～1600万が当たり前のようになっています。
しかし、いくらCCDの画素数が多くても、CCDの上に結ぶ像がぼやけていれば、意味がありません。

1200万～1600万画素のカメラは、300万～400万画素のカメラに較べて、
2倍の精度で像を結ぶ光学系が必要になると思います。
デジカメ（特に、コンパクトデジカメ）の光学系では、実際にそのような精度は実現されているのでしょうか？

CCDの技術はどんどん進歩していますが、それに合わせて光学系の精度も進歩しているのでしょうか？
（それとも、光学系には元々十分な精度があり、画素数の少ない従来のCCDでは光学系の精度が
十分に生かされていなかった？）

よろしくご教示お願いします。

No.11 回答者： kuma-gorou 回答日時： 2013/10/04 08:08

結局のところ、理論だけを論じても、カメラ選びには、何の役にも立たないし、今更、低画素機を探せと言っても無理難題。

一旦、このスレをクローズし、要求クオリティー・用途・予算等を明示し、再質問される事を薦めます。
まぁ、個人的には、予算の許す範囲で、センサーサイズの大きなモノを選ぶのが解だと思います。

No.10 回答者： kuma-gorou 回答日時： 2013/10/02 10:13

＃１

何だかんだと、数値だけ議論されていますが、結局は、机上の空論に過ぎません。
経験則で申せば、35mm判フルサイズ機で、初代のEOS5D を初めて使った時、そのシャープ感は、銀塩の中判をも凌ぐ凄さに驚いたものです。EOS5Dは、たったの1280万画素機です。

今も、1/2.3型センサー機で、400万画素機を所持しています。
そりゃ、最新のカメラは、裏面照射CMOSが主流で、手持ち夜景や自動追尾・シーン自動判別と便利にはなっていますが、解像感・絵の綺麗さでは、数年以上も前のCCD時代にも劣るものが我が物顔。

要するに、センサーの画素数だけでカメラの性能は測れない。
そろそろ、賢い消費者なら、そこに気付く必要があると思います。で、ない限り、メーカーも無意味な画素数競争から抜け出せないでしょう。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

小生も、11年前発売の1/2.3型320万画素センサーのコンパクトデジカメを使ってますが、ノイズの多さや解像力などに不満があり、同程度のレベルの機種で11年間の技術の進歩が盛り込まれた新しいものに、買い替えを検討しているところです。1200万超のセンサーでは、縦横の画素のサイズが半分以下になりますが、それに見合った解像力の向上を期待していいのか（買い替えてみて期待が裏切られたということにならないか）という懸念から、質問させていただきました。

小生と違って、写真に対する眼力の高い人は、写真のシャープ感などのクオリティーをしっかり見抜くことができるので、画素数の数字にごまかされることは、元々ないと思います。

一方、写真のクオリティーにそれほどのこだわりのない顧客に対して、デジカメを売り込むために、各メーカーは競争にしのぎを削っており、画素数の数字を判断材料にする人がある程度いるという現実がある以上、メーカーが高画素数化に走るのは、仕方のないことと思います。画素数が多くなったからと言って、それに比例して画質が良くなるわけではないとしても、悪くなるわけでもないのだから、画素数を多くすることによるコスト増が問題にならない程度なら、構わないのではないでしょうか。おそらく、1200万超の画素のセンサーも、大量生産により、400万画素程度のセンサーの製造コストと変わらなくなっているのではないかと思います。ただ、画素数の多さだけを売りにした粗悪なデジカメが高値で売買される、という現実があるなら、問題ですね。なお、1/2.3型センサーでの1600万画素以上の高画素数化の競争は、光の波長による限界を考えると、あり得ないのではないかという気がします。

現在使っている320万画素のカメラは、点像が直径3画素に広がる程度の解像力ですが、1/2.3型センサーで1600万画素のコンパクトデジカメに買い替えた場合でも、同じになるか、と言えば、今までに頂いた回答によれば、光学系の解像力が180本/mm程度ということなので、ちょっと怪しいな、という感じがしています。

お礼日時：2013/10/04 07:06

No.9 回答者： foobar 回答日時： 2013/10/01 15:15

＃７お礼欄に関連して。

解像力での**本/mmというときの1本は白黒一対を一本と数えています。したがって一本は2画素に相当し、180本/mmは360画素/mmに相当します。
（ということは、1600万画素クラスの撮像素子だと190本/mm程度の解像力でちょうど横二画素相当に対応と言うことになるかと思います。）

この回答へのお礼

ご指摘ありがとうございます。

光学系の解像力が150～200本/mm程度に対し、1600万画素の1/2.3型撮像素子の750本/mmという解像力はあまりにオーバースペックで無意味のように思いましたが、正しくはその半分だということなら、カラーフィルターとローパスフィルターの使用を前提とすれば、ぎりぎり限界内なのかな、と納得できます。約1/750mmという画素のサイズは可視光線の波長に近い（赤色光の波長の約半分）ということを考えても、これ以上画素を小さくすることは意味がなさそうですね。

お礼日時：2013/10/02 07:21

No.8 回答者： foobar 回答日時： 2013/09/30 09:16

＃７補足に関して。

空間を一定感覚で区切って明るさを検出する以上、撮像素子面の像ではエリアス（モアレの元）が出ないためにはに画素ピッチ以下の明暗が無い必要があります。これは、色フィルタを使わない撮像素子でも同様です。
画素がある程度の面積をもっている、というのはエリアスを軽減する効果はありますが、完全に0にできるわけではありません。
例えば、画素ピッチの0.9倍の幅の黒帯と白帯が繰り返すパターンを移すと、画素の中に占める黒白の割合が少しずつ変化してゆき、エリアスが起きるのがわかるかと思います。

シグマのデジカメではLPFを省略しているようですが、以前に見たテストチャートを写した結果ではと、細い線のところではしっかりエリアス（偽解像って呼ばれることもある出方のもの）が出ていました。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

確かに、画素ピッチの0.9倍の幅の黒帯と白帯が繰り返すパターンを写した場合、画素全体に入射した光の平均をサンプリングすると、9画素を周期として濃淡が45.5%～54.5%の間で変化する灰色のモアレ縞が発生するようですね。しかし、平均化せずに画素の中央の点をサンプリングした場合には黒（0%）と白（100%）のモアレ縞になるので、平均化により明暗の振幅が11分の1に減衰していると言えます。アンチエリアスフィルタはサンプリング周波数の1/2の周波数（ナイキスト周波数）を超える周波数成分を遮断しなければならないわけですが、この例ではナイキスト周波数の2.2倍の周波数なのに、完全に遮断できていない。つまり、画素内での平均化は、アンチエリアスフィルタとしては不十分だ、ということのようですね。

お礼日時：2013/10/01 06:53

No.7 回答者： foobar 回答日時： 2013/09/28 16:42

＃５補足に関連して。

カラーフィルタと撮像素子は非常に正確にあわせる必要があるので、フィルタを可動式にするのは無理かなと思います。
それよりは、現行のカラーフィルタが不要なタイプの素子（一画素でフルカラーの情報が出てくるFOVEONのようなもの）への移行のほうが正常進化かと思います。もっとも、その場合でもモアレを防ぐために光学ローパスフィルタは必要ではありますけど。

レンズの解像力低下をローパスフィルタ代わりに利用できるところまで撮像素子を高画素にすれば、撮像素子表面のローパスフィルタを省略できるのでそういう設定もありかもしれません。既にそうやってローパスフィルタを省略してコストダウンした製品が出ている、といった話も聞こえてきていますが、真偽のほどは不明です。

この回答への補足

前に書いたモノクロ専用デジカメ（ライカ製）には、ローパスフィルターもないそうです。
また、ご教示頂いたFOVEON素子を使っているデジカメ（シグマ製）も、ローパスフィルタを使っていないそうです。

もし撮像素子の１画素がカバーする範囲の全体が受光部ならば（つまり、隣接する画素と画素との間に光を感じない隙間がないならば）、ローパスフィルタは不要なのではないかと思います。というのは、そういう受光部に隙間のない撮像素子では、１画素内で平均化がされる（１画素内で数点サンプリングして平均値を取って得られる値と同じ値が直接出力される）ので、各画素の内部で微細な（隣接画素にまたがらない）ローパスフィルターがすでに掛かっているようなものだからです。

現実の撮像素子の画素は受光部の面積が小さく、１画素がカバーする範囲の中央付近に入射した光だけがサンプリングされて、その画素全体の値とされます。しかし実際には、撮像素子の前面にはマイクロレンズが置かれているので、１画素がカバーする範囲に入射する光の、全部とまではいかないまでも大部分が、中央の受光部に集められるため、実質的には、上記の受光部に隙間のない撮像素子に近くなっているのではないかと思われます。

つまり、マイクロレンズを工夫して、撮像素子が受けた光の全部がどれかの画素の受光部に無駄なく入射するようにすれば、モノクロ専用デジカメはもちろん、FOVEONのような素子を使うならばカラーデジカメでも、ローパスフィルターは不要ということになりそうな気がします・・・

・・・という考えは、間違ってますでしょうか？

補足日時：2013/09/29 14:39

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

今使っている320万画素のデジカメの場合、1/2.3型撮像素子の解像度は約330本／mmなので、#1,#6の方がおっしゃっている解像度180本/mmあるいは150～200本/mmの光学系は、点の像のぼやけが２画素にまたがる程度だから、ちょうどいいのかも知れません。

しかし、最近の1600万画素になると、約750本/mmとなり、光学系の解像度が上記の程度なら、撮像素子の解像度は生かされていないということになりそうですね。本当にそういう状態なら、光学系の解像度の低さを利用してローパスフィルタを省略しているというのは、現実的な話に思えます。実際のところどうなのか、1600万画素のコンパクトデジカメを使って確かめてみたい所です（しかしそのためにはまず買わなければならないのが悩ましい）。

お礼日時：2013/09/29 08:32

No.6 回答者： x530 回答日時： 2013/09/28 10:54

> CCDの上に結ぶ像がぼやけていれば、意味がありません。

・間違っているよ。。。
普及価格帯の一般コンデジの場合。
「CCDの上に結ぶ像がぼやけていなければ、意味がありません。」
が正解。
ＣＣＤの前にローパスフィルター「整波という名のぼやけさせる目的のフィルター」があるから、実際に存在しない模様（モアレ）や色（偽色）の発生を抑えることが出来るのですよ。

No.5さんの回答とローパスフィルターの存在により、コンデジのレンズ解像度がメチャクチャ高くする必要はありません。
普及価格帯のコンデジの場合。
レンズ解像度は、だいたい１５０本／ｍｍ～２００本／ｍｍ程度の解像度で充分かと。

http://www.dcm99.com/knowledge/lowpass_filter.html

この回答への補足

上の「お礼」の訂正です。

誤：そうでしたすね　→　正：そうでしたね
誤：半分以下の周波数成分　→　正：半分を超える周波数成分

補足日時：2013/09/29 07:01

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

そうでしたすね。以前、信号処理の関係の仕事をちょっとしたことがあるので思い出しました。
CCDでの撮像は一種のサンプリングなので、サンプリング周波数の半分以下の周波数成分をあらかじめローパスフィルターで除去しなければならない、というサンプリング定理の前提が、ここにも適用されるわけですね。

多分、３画素分くらいの直径の円内に入射する光の重み付き平均が円の中心にあるCCD画素に入射するようなフィルタで、十分なのではないでしょうか。とすれば、ベイヤー配列のカラーフィルターを用いた場合の補間演算の範囲と同じくらいなので、ローパスフィルタを加えることの、画像の先鋭度に与える影響は、あまり大きくないだろうと思います。もっとも、ベイヤ－配列の場合、三原色の各々について見れば、画素の間隔が√2倍～２倍になるので、フィルタで平均化される範囲もそれだけ広げなければならないような気もしますが。

事実、手持ちの320万画素のデジカメで夜空の星を撮ってみると、無限小であるはずの星が直径３画素くらいの大きさに広がって写ることから、大体こんなものかな、と推測しています。

お礼日時：2013/09/28 22:57

No.5 回答者： foobar 回答日時： 2013/09/27 15:24

今の撮像素子ってベイヤ配列を採用しているので、実際にレンズに要求される解像力は画素数分ほどは必要ない（理屈の上では画素数/4程度あればよい）、ってのは注意が必要かと思います。

それを勘案すると、概ね撮像素子で決まる解像力上限とレンズの解像力がトントンのあたりにある感じがしています。

この回答への補足

ベイヤ配列のカラーフィルターを省略し、補間演算のない、撮像素子本来の解像度をフルに生かせる「モノクロ専用デジカメ」っていうのがあったらいいな、と思ったのですが、実際にあるそうですね（ただし、プロ仕様のため、非常に高価）。

カラーフィルターのないモノクロ撮影モードと、ベイヤ配列のカラーフィルターと補間演算とを使ったカラー撮影モードとを、切り替えられる技術の可能性って、あるでしょうか？　できれば、一般向けのデジカメに搭載できるほど安価に実現できる技術なら、なおよいのですが。

例えば、カラーフィルターを一眼レフカメラのミラーのように跳ね上げることができるようにする、あるいは、電圧を加えると全色を透過する（色がなくなる）カラー液晶を使ってカラーフィルターを作る、とか。

補足日時：2013/09/28 10:10

この回答へのお礼

回答頂き、ありがとうございました。

ベイヤ配列とは何か、調べてみましたが、要するに、三原色の各々の解像度は、縦横それぞれ公称の解像度の√2分の１ないし２分の１しかなく、ある画素の色は、その画素自身および周囲の画素の出力に基づいて、補間計算によって決められるのですね。

どんなに注意深くピントを合わせても、どんなに高精度の記録方式（RAWモードすなわちTIFF形式での記録）を選択しても、画素がはっきり見分けられるほどに拡大して見ると、どうしても画像のエッジに今ひとつシャープさが足りず、CCDの解像度が十分に生かされてないような気がするので、ひょっとしたら光学系の精度が悪いために像自体がぼやけているのではないかと疑って、この質問を投稿したのですが、画素間で補間計算がされているとなれば、その分シャープさが失われることも、納得できます。

つまり、CCDの上に結ばれた像自体は、CCDの解像度に対して十分な（あるいはちょうど見合うだけの）シャープさを持っている（ぼやけてはいない）のかも知れないですね。

お礼日時：2013/09/27 20:41

No.4 回答者： tsunji 回答日時： 2013/09/27 13:30

コンデジの鏡筒を触って見るとわかりますが、結構あそびが有ります。

ただそれくらい遊びがあっても、センサーが小さいと被写界深度が深いので
問題にはなりにくいのです。

また手ぶれ補正がレンズ内だと光軸がぶれますよね、あるとないとでは大違いですが、
その辺を考えると良いのではないですか？

この回答への補足

回答ありがとうございます。

レンズの精度の他に、機械的な精度の問題がありますね。

フォーカス調整でレンズの位置を決める制御系の精度も、撮像素子の解像度の向上に合わせて、上げなければならないと思うのですが、実際はどうなんでしょう？

マニュアルフォーカスでは、ボタンを押すごとに１段階ずつレンズの位置が動きますが、１段階で動く幅は、解像度に反比例して小さくなっているのでしょうか？

補足日時：2013/09/27 20:17

No.3 回答者： bardfish 回答日時： 2013/09/27 12:40

半導体部品は量産効果などで価格は非常に安いのにたいし、レンズは性能と価格はほぼ比例します。

だから、安いデジカメのレンズの性能もそれなりといって差し支えないでしょう。
つまり、イメージセンサーの画素数と比べたらお粗末なもの。
画像処理でいくら補正しても元々の素性が悪ければやはりそれなりのものになってしまいます。


画素数に見合ったレンズ性能を求めるのなら高級デジカメと呼ばれるものを選択した方がいいと思います。
一眼レフ用のレンズも同じ焦点距離でも価格が一桁違うのは当たり前ですからね。
明るい大口径レンズだと研磨も一段と厳しい精度を要求されるので加工費用も跳ね上がります。

精度を1%上げるのにかかる費用は1千万円以上とも言われる世界ですからね(^^;
出荷台数で一番ボリュームのある価格帯のデジカメにそこまで費用をかけてしまったのでは大赤字です。
それでも材質の改良や加工技術の向上、生産工程の効率化により精度が上がっても費用は抑えられたりしているはずですが、高画素化のペースに追いつけないのが現状でしょう。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

やはり、安かろう悪かろう、ということなんですね。

お礼日時：2013/09/27 20:02

No.2 回答者： FEX2053 回答日時： 2013/09/27 11:55

まあ、どの程度の「精度」を求めているかによりますけどね。

実際「オールドレンズ」と言われている、戦前のレンズが最新の
ミラーレス一眼で良い「絵」を作ってることからしても、フィルム用
レンズに十分な光学的余裕があった、と考える方がいいでしょう。

マイクロフィルムを考えると、光学系には相当に余裕がなくちゃ。

ただ、実際にコンデジを見ると、「絞り」が無いか段数が少なく
なっているなど、設計上の「精度」に余裕がなくなってきている
のは確かだと思いますよ。高倍率機での製造上の誤差による
片ボケやにじみなども結構頻発してますし。

この回答へのお礼

ご回答頂き、ありがとうございました。

プロの世界では、今の高画素数の撮像素子の解像度に対して十分な精度を持つ光学系の技術が、昔からあったということですね。

お礼日時：2013/09/27 19:59