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Imager マニア

デジカメ / デジタルビデオカメラ / スマホ用の撮像素子(イメージセンサ/imager/CMOSセンサ)について、マニアな情報や私見を徒然なるままに述べるBlogです(^^;)

ミラーレスNikon1 V3発表 ~歴代Nikon1搭載Aptinaセンサ外観など

ニコンのミラーレス一眼シリーズのフラグシップNikon1 V3が最近正式発表されました。

 個人的には、一眼レフカメラの性能を当面の間は上回らせないであろう、キヤノン及びニコンのミラーレスカメラ自体にはあまり興味が無いというのと、
加えてニコンの場合は”撮像素子(イメージセンサ)が1インチフォーマットである”という点においてもより興味が無くなるのですが(^^;)、

 「1インチフォーマット(で、かつミラーレス)だから良いこともあるのだよ」

とニコンがドヤ顔してそうなspecが、

レンズ交換式カメラで世界最速のAF追従での約20コマ/Secの連写スピード


(↑ちなみに各社みな”約”ってつけるのは何故なのだろう?もうここまでくると測定誤差大きくなるの?それとも19.9コマ/Secとかを切り上げてる?一番妥当なのは、マニアから0.05コマ/Secとかの差でクレームがきたりするのを避けるため!?)


話が長くなってしまうので、先に ↑有効1839万画素 十中八九Aptina製CMOSセンサ
ニコンHPより V3搭載センサ写真


↑ Nikon1 V2 / J3 / AW1 搭載 有効1425万画素CMOSイメージセンサ

 上記二つのセンサはほとんど同じに見えますね。
よく見ると、例えば左上隅の金色の模様のようなものが異なるので、同じ写真の使いまわしで無いことだけは確信できます(^^;)
 恐らくはほとんど同じアーキテクチャ(?)で、画素数だけupさせたのでは無いでしょうか。

パッドは4辺にあり、また、センサ上下の幅が等しいことから、画素データは列毎に交互に上下へ読みだされていると思われます。

(ニコンのD5200及びD7100に採用されている東芝製イメージャ、及びD3300と5300に採用されているソニー製のイメージャ最近のトレンドは、画素信号データを片側へ読みだす方式になってきているようですが)
AptinaHPのラインナップで確認すると、パッケージは124pinです。

 どことなく、東芝のイメージセンサと、表面の色など似ている感じがします(←色などは光線などの状態で写真写りで如何様にでも変化してしまいますが)。


↑ Nikon1 S1搭載 有効1011万画素CMOSイメージセンサ

 そして、一つだけ異形なセンサなのがS1搭載のコレです。
AptinaのHPの1インチセンサラインナップに、S1カメラの仕様とmuchするセンサが存在しますので、まあまず同様にAptina製とは思われますが、見た目だけで言うならとても同じ会社が設計したセンサとは思われません
 会社の中で仲の良くない二つのチームがあって、お互い敵視しあって(切磋琢磨して!?)センサ設計しているのでしょうか?(笑)

(ところで余談ですが、今までニコンってNikon1のカメラ搭載撮像素子の写真はHPにupしていなかった気がしたのですが、一体いつからセンサ写真が載っかるようになったのでしょう?私の気のせいでしょうか・・・)


 その他、このカメラで特徴的というかおもしろいなと思ったのは、

 micro USBSDカードを記録メディアに採用しているところ。

 恐らくカメラのみならずモバイル機器においては、インターフェース、コネクタ類の大きさや厚みが直接機器の小型化に影響を与えてしまうのだろうとは思いますが、
それにしてもmicroUSBSDカードとは・・・あの、スマホとかに挿さっているやつです。
スマホは端末交換時以外、事実上抜き挿しする機会は無いですが、デジカメは通常データ保存する時に取り出しますし、下手したら出先でメモリが一杯になったら交換もしますし・・・
個人的には1インチフォーマット以外に、この点でも引いてしまいます。
 microUSBSDカードの事情に明るく無いのですが、転送速度とか容量の点で問題は無いのでしょうか?



 で、冒頭のレンズ交換式で世界最速の20コマ/秒のAF追従連写スピードの件ですが、
恐らく1インチフォーマット&ミラーレスであったから現状成立したスペックであろうと思います。←つまりここは、1インチフォーマットの利点をフル活用した良い攻め口な気が、個人的にはします。

 AF追従20コマ/秒の連写スピードを達成する上で、阻害要因となりそうなのが以下だと思うのですが、
 ①(メカの)シャッターの動く速度の限界
 ②センサの読み出し速度の限界
 ③カメラの画処理エンジンの処理速度の限界
 ④メディアへの書き込み速度の限界
 ⑤ミラーの上げ下げの駆動速度の限界
 ⑥レンズのAF駆動速度の追従限界

③と④は、速くしたければ画像処理ICをDual○○、Quad○○・・・と、現在のCPUコアの様に並列処理させたり、バッファメモリを多くすれば解決するので、連写スピードを売りにしたいカメラにとっては阻害要因には現状なっていないと思われます(←バッファフルの様に連写の持続時間の阻害要因にはなっている可能性はあると思いますが)。

⑤はNikon1はミラーレスカメラなので、元々存在せず、阻害要因にはならず。
①は阻害要因にはなるはずですが、このNikon1の20コマ/秒連写時の前提条件が”電子シャッター使用時”であるため、Nikon1 V3にとっては阻害要因にはならず。

で、通常他のセンサでは(特にフルサイズやAPS-Cサイズの様な大きなフォーマットのセンサでは)②と⑥の、センサの読み出しスピードとレンズのAF追従速度が阻害要因になっていると予想されます。
 何故そう思ったかと言いますと、
まず⑥のレンズは、撮像素子フォーマットが大きければ、その分普通はレンズ自体が大きく、そしてその分重くなります。
すると、そのレンズを動かすのには大きなパワーが必要になり、小さなレンズを動かすのと比較すると速く動かすことが困難になるからです。
 つまりストレートに言うと、1インチフォーマット用の光学系の方が、(フルサイズやAPS-C、フォーサーズフォーマットよりも)AFやズーム動作含め高速化しやすいということです。

 上記⑥は直感的なのですが、②のセンサ読み出しスピードにも(わかりにくいですが実は)似たようなことが言えると思われます。
 予測した結論を先に言いますと、やはりフルサイズやAPS-Cサイズの様な大きなフォーマットと比較して、1インチの様に相対的に小さなフォーマットの方が、センサの信号読み出し速度が上げやすいのです。
 センサ内にはパルスなど色々伝達しなければ動かない必要な信号(←画素からの信号も含む)があると思いますが、これらがチップ内部の抵抗や寄生容量によって速度を制限されてしまいます(←長々していてわかりにくいですが、この1例を過去のソニー発表内容エントリから参照します)。
チップが大きい方が、伝達しなければならない距離も長いため、より抵抗や寄生容量が大きくなってしまい、センサ信号(パルスなど)の速度を上げにくいのだと思われます。
その結果、逆に言うと1インチセンサの方が読み出しスピードが上げやすいというのと、

加えてこのAptinaセンサは過去エントリで書きましたが、列ADが逐次比較型という処理速度に比較的向いた形式を採用していることと、Nesting Scanと彼らが呼ぶ特異な読み出し順序を採用する等の工夫により、1インチフォーマットの特徴を最大限活かした読み出し速度(≒カメラの連写スピードup)を実現しているのだと思います。

 ですので、そういう意味ではニコンは一眼レフとミラーレスカメラのラインナップの住み分けをこの辺のスペック差で行おうとしているのかなと思いました。



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高速読み出しと画質に関して

imagerマニアさん

> micro USBを記録メディアに採用している

これ、「microUSB」ではなくて「microSDカード」ですね。^^;

microSDカードは、SDカードにほぼ準じているので転送速度はClass10まであります。容量については、少しずつ増えてきている状況ではないでしょうか。32GBくらいまでなら、普通に入手できます。つい最近、microSDXC規格で128GBも出たと思います。とてもお高いですけどね。(笑)

あと、「約20コマ/秒のAF追従連続撮影」というのはベストエフォートみたいなものだと思います。そもそもNikon 1の場合は仕組みとしてラインセンサーのみとなるせいなのか、クロスセンサーを採用したカメラよりも合焦しにくい気がします。フルサイズに比べると被写界深度が深いので、それでカバーしている面があるような、、、^^;

それで、よく分かっていないので誤解があるかもしれませんが、高速読み出しと画質に関する質問をさせてください。

素人考えですが、高速読み出しを有効なものとするためにはセンサー側が飽和しやすいことが必要ですよね。たとえばフォーカシングのために120fpsで読み出しをかけるとすると、1/120秒以下の時間でセンサーが飽和するような特性が好ましいと思うわけです。そうすると、センサーの特性は自然に高感度側に振れることになります(暗所に強いフォーカスとすればするほど、高感度側にシフトする?)。

最近のカメラは、低感度で撮っても画質の向上が見られないものが増えている気がするのですが、そういうのって、この高速読み出しを優先したセンサー特性が影響しているのかなぁ、と。実際のところは、どうなんでしょうねぇ、、、/(^^;

Re:高速読み出しと画質に関して

>これ、「microUSB」ではなくて「microSDカード」ですね。^^;

 ご指摘ありがとうございました。
基本内容修正しない方針できていたのですが、さすがにこれは誤情報ですし、何より恥ずかしいので訂正させていただきましたf(^^;)

>microSDカードは、SDカードにほぼ準じているので転送速度はClass10まであります。32GBくらいまでなら、普通に入手できます。つい最近、microSDXC規格で128GBも出たと思います。とてもお高いですけどね。(笑)

 そうなんですね。
ひとまず32GBまであるのであれば、私の様なユーザーであれば十分ですね。きちんと管理すれば出先で交換の必要は無く、また複数枚運用の必要自体が無さそうです。
 いずれデジカメで普通になるのかもしれませんが、しかし私は今のところはそれでも抵抗を感じます。←microSDカード


>あと、「約20コマ/秒のAF追従連続撮影」というのはベストエフォートみたいなものだと思います。そもそもNikon 1の場合は仕組みとしてラインセンサーのみとなるせいなのか、クロスセンサーを採用したカメラよりも合焦しにくい気がします。フルサイズに比べると被写界深度が深いので、それでカバーしている面があるような、、、^^;

 なるほど、”被写界深度でカバー”は有利要素として間違いなくありそうですね。
 また、他社は従来のコントラストAFと像面位相差AFを併用したりすることが現状多そうですが、確かニコンだけ(?)は意地で(?)とある明るさを境にして、それより明るければ位相差AFのみで、それより暗ければコントラストAFのみで、AF合焦を狙いにいくというのをどこかのwebや雑誌等でニコンの方自身が説明されていた記憶があります。
ですので、通常の照度下でNikon1で撮影している時には、おっしゃられるように像面のラインセンサのみでAFしているので、toshiさんおっしゃられる様にクロスセンサに劣るのでしょうか。


 さて(?)、以下長くなると思います。ご容赦を(^^;)
そして全て私見です。こちらもご容赦を。

>素人考えですが、高速読み出しを有効なものとするためにはセンサー側が飽和しやすいことが必要ですよね。たとえばフォーカシングのために120fpsで読み出しをかけるとすると、1/120秒以下の時間でセンサーが飽和するような特性が好ましいと思うわけです。そうすると、センサーの特性は自然に高感度側に振れることになります

 私見結論を先に述べさせていただけるなら、(恐らくtoshiさんが懸念されていると思う)
「センサやデジカメメーカーが、AF性能(高速読み出し)優先のために”意図して”、飽和しやすいセンサを作ることは無い」
 と思います。

(ただ、以前議論させていただいた様に、現状センサ画素ピッチが小さくなってきているので、狙っていないけれども(仕方なく?)飽和しやすいセンサになってきている とか、 そもそもセンサは高感度であることが常に求められると思いますので、高感度、高S/Nセンサを作ろうとして、やはり結果致し方なく飽和しやすいセンサが出来る ということはご懸念の通り大いにあると思います。)

 正確に言うと120fpsで読み出しをかけるとしても、センサ側に高感度は求められても、この要件において”飽和しやすい”ことは全く求められていないと思うからです。写真において適正露出であることは求められても、画面の中で必ず飽和する箇所が存在しなければならない要求は無いと思うからです。)

 ↑”高感度側にシフトする”という意味が上記の様なセンサ高感度化現象を指すとするなら、個人的には(最低限の飽和が確保されている前提で)むしろ歓迎すべきことかなと思います。

 また、他と差別化のために120fpsという仕様の動画記録カメラがあったとして、そのカメラで更に”AF高速化のために”実際のセンサ読み出しは倍の240fpsで行うということは、画質が犠牲になるのであればしないと思います。
あくまで動画記録の仕様として、例えばフルHDの120fpsが必要なのであれば、その動画記録の仕様の範囲内の120fpsで読みだされてくるデータを元にAFするのであって、動画記録の仕様に無い240fps読み出しを記録画質を犠牲にしてAF高速化のために行うことは無いのではと思います。


>最近のカメラは、低感度で撮っても画質の向上が見られないものが増えている気がするのですが、そういうのって、この高速読み出しを優先したセンサー特性が影響しているのかなぁ、と。実際のところは、どうなんでしょうねぇ、、、/(^^;

 翻って、AFの話とは無関係に、Nikon1のAptinaセンサの高速読み出しに関しては、hi-lowさんのサイトでraw画像をRX1と比較されたものを見た時に、上記toshiさんほぼ同様の感想を抱きました。

手前味噌ですが、
http://imager.no-mania.com/%E4%B8%80%E7%9C%BC%E3%83%AC%E3%83%95-%E3%83%9F%E3%83%A9%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%82%B9%20%E3%83%87%E3%82%B8%E3%82%AB%E3%83%A1%E6%90%AD%E8%BC%89%E3%82%BB%E3%83%B3%E3%82%B5/%E3%83%8B%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%81%AE%E3%83%9F%E3%83%A9%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%82%B9%E3%82%AB%E3%83%A1%E3%83%A9%E3%81%AE%E9%AB%98%E9%80%9F%E9%80%A3%E5%86%99%E6%80%A7%E8%83%BD%E3%81%AE%E8%AC%8E%E3%80%80%EF%BD%9Eapt

↑ここで、Aptinaセンサの1行の読み出し方があったりするのですが、
 ①色んな動作が(高速読み出しのために)パイプライン処理されている
 ② ①のお陰等もあって、1行あたり4.58μSecで読みだされている ←上ページ中ほど
 ③高速読み出しを行うと消費電流が増えるので、その代わりに各部の電流を絞っている

 上記いずれも、ノイズに関して言うと害はあっても良いことは一切無い方向ばかりです。
①は、hi-lowさんご指摘の高速クロックのノイズも含めて信号電圧に他のノイズが乗りやすいですし、一番気になるのは②と③の合わせ技で、
 恐らく、CDS(相関二重サンプリング)が完全に出来ていないのじゃないかな、だからノイジーなんじゃないかなと。
 CDSは、CMOSセンサがCCDセンサと画質で肩を並べるに至った重要な読み出し方で、いわゆる各画素固有のノイズとそのノイズを含めた画素信号を二つ読み出して、この二つの差分を取ることにより、ノイズの無い純粋な画素信号を取り出す低ノイズ化技術ですが、
 このAptinaセンサはあまりの高速読み出しにこだわるあまり、上記、”画素固有のノイズ”、及び”ノイズ+画素信号”双方のアナログ信号電圧が実際の真値に到達する前にサンプリング(≒値確定)してしまっていて、CDSの効果はあれど、他の多くのセンサほど100%その恩恵を受け切れていないのではないかな?
などと個人的に考えています。
 それ以外にも”逐次比較型という列AD方式はノイズにとってどうなのだろう?”、”センサ製造しているFabのプロセス実力は?”などという点も若干気になっています。

  • imagerマニア
  • 2014/03/21(Fri.)

Re: 高速読み出しと画質に関して

> toshi さん
> imagerマニア さん

センサーの読み出し速度(クロック周波数)を上げると、指数関数的にノイズが増えます。そのため、高速読み出しセンサーは、低速のものに比べS/Nが悪くなります。
この現象は感度に依存しませんので、低感度でも思ったほど画質が良くならない原因の1つかもしれません。

Re: 高速読み出しと画質に関して

hi-lowさん

なるほど。周波数を上げることによるノイズということなのですね。センサーについてはよく分かりませんが、コンピュータを例に考えても周波数が上がることで波形が崩れやすくなりますので、その点には納得感があります。:-)

Re: Re:高速読み出しと画質に関して

> imagerマニア さん

AptinaセンサーでCDSが充分に機能していないとのご指摘は、面白いですね。

先日、Nikon1 V3センサーのDxOmarkスコアが発表されましたが、良い評点ではありませんでした。ソニーの1型センサーとの違いが気になり、DxOmarkの測定値を確認したところ、低感度領域(iso800以下)のダイナミックレンジ以外は、ほとんどの項目でAptinaがソニーを上回っていました。もちろん、800万画素に規格化された場合ではなく、画素単位で比較です。

Aptinaセンサーは、高速読み出し回路に面積を取られセンサーの開口率が小さくなり、アンプゲインが高めに設定されているのかもしれません。センサーの断面図がどこかで公開されていれば…。

Re:Re: Re:高速読み出しと画質に関して

http://www.chipworks.com/en/technical-competitive-analysis/resources/blog/a-survey-of-recent-image-sensor-pixel-structures/
 ↑中ほどの写真。ただし、FSIセンサ(裏面センサのものではない)かつ、スマホ向けなので画素ピッチはデジカメ用よりも更に小さいもの(恐らく1um台) かつ、情報はやや古く2012年5月のblog

最近は、chipworksのテクノロジーblogでイメージセンサが取り挙げられなくなってきている気がしまして、昔のしか見つけられないですね(--;)


>DxOmarkの測定値を確認したところ、低感度領域(iso800以下)のダイナミックレンジ以外は、ほとんどの項目でAptinaがソニーを上回っていました。

 情報ありがとうございます。
DxOのNikon1V3、私も見てみました。

ソニーの1インチが2000万画素なので、ピクセル等倍評価だと1800万画素台のAptinaが画素ピッチでやや有利という環境でしょうか。←まあここは目くじら立てずほぼ同等という前提にするとして。

ISO800未満でダイナミックレンジはAptinaが頭打ちになってソニーセンサに負けるのですね。この結果からは恐らく低いISO設定時のノイズが相対的にAptinaの方が大きいという風に予想されるという理解でしょうか。

>Aptinaセンサーは、高速読み出し回路に面積を取られセンサーの開口率が小さくなり、アンプゲインが高めに設定されているのかもしれません。

Aptinaのセンサが列AD前で列ごとにゲインアップしている前提で、DxOのダイナミックレンジの上記ISOごとの結果から、むしろ
 ①Aptinaの方がソニーに対して上記列回路のアンプゲインが低め設定
  もしくは
 ②Aptinaの方が列アンプ以降の読み出し回路ノイズが大きい ←私のCDS不十分説はウソ(矛盾)
 ということは無いでしょうか?

 つまり、ISO毎のノイズがリニアな関係をAptinaは示しておらず、高ISO設定時は、ゲインアップ後の画素部のノイズが全ノイズに対して支配的。ソニーセンサは全ISO領域で上記関係が保たれるのに対し、Aptinaは低ISOではゲインアップ後の画素ノイズとその後の読み出し回路のノイズ量が逆転して、全ノイズに対して読み出し回路のノイズが支配的になり、ISO設定を変えても低ISO領域でのノイズはあまり変化せず・・・という様な関係になるには、上記①ないしは②もしくはその両方 というような状況になっているように感じます。

 とは言っても、今度はSNRはAptinaの方も低ISOの方まできっちりがんばっていて、低ISO設定時にノイズが大きいという訳でもなさそうで・・・
DxOマークの評価は複雑で理解に苦しみます(^^;)

ps ちなみにDxOマークの総合得点が、Low-lightISOやColor-Depthなるものの評価よりも圧倒的にダイナミックレンジを重んじているように見えるのも気になります。
 恐らく多くの方が総合得点しか見ていないのじゃないかと思うのですが、その方達は極端に言うとDxOマークのダイナミックレンジの評価しか見ていないのと等しいと感じています。

  • imagerマニア
  • 2014/03/22(Sat.)

Re: Re: Re:高速読み出しと画質に関して

> imagerマニア さん

おっしゃるように、Aptinaセンサーでは支配的なノイズ成分がISO設定によって変化するのでしょう。低ISOのダイナックレンジはコンプレスがかかっているように見えるので、単純なアンプゲインの切り替えではなく、回路構成が変わっているかもしれません。

Re:高速読み出しと画質に関して

>ISO毎のノイズがリニアな関係をAptinaは示しておらず
当ブログでもお見かけしましたが、センサのDR-Pixと言う独自の画素方式が影響しているのではないでしょうか
低ISO時だけFD部の容量値を小さくしてゲインを落とし、
回路電圧的により多くの電子数を読み出せるようになる。

これは、十分な光量が得られている場合はS/Nが良くなる
一方で、黒つぶれしてしまった絵の中の一部分を持ち上げるようなユーザー側で増感を想定するような絵ではノイズを悪化させてしまう という逆転現象が起こる

Re:高速読み出しと画質に関して

>ISO毎のノイズがリニアな関係をAptinaは示しておらず
当ブログでもお見かけしましたが、センサのDR-Pixと言う独自の画素方式が影響しているのではないでしょうか
低ISO時だけFD部の容量値を小さくしてゲインを落とし、
回路電圧的により多くの電子数を読み出せるようになる。

これは、十分な光量が得られている場合はS/Nが良くなる
一方で、黒つぶれしてしまった絵の中の一部分を持ち上げるようなユーザー側で増感を想定するような絵ではノイズを悪化させてしまう という逆転現象が起こる

Re:Re:高速読み出しと画質に関して

>当ブログでもお見かけしましたが、センサのDR-Pixと言う独自の画素方式が影響しているのではないでしょうか

 なるほど!
忘れておりました。おっしゃる通り、DxOmarkの評価結果に関係している可能性が高い気がしてきました。

 基本的にこのAptina社のDR-pixテクノロジーとやらの、画素のFD容量部に追加する容量はどういう風に制御されているのでしょうか?
つまり、エンドユーザー設定もしくはオートISOモードで、”設定されたISO値によって”全画素の付加容量用のスイッチが一斉にON/OFFが切り替えられるような単純なものなのでしょうか?←恐らくこういう制御の仕方なのではないかと私は予想しているのですが、

上記使い方で間違いがなければ、以下の理屈でおっしゃるとおり、今回のaptinaセンサのダイナミックレンジ特性の結果はある程度辻褄合うのかなと思います。
ありがとうございました。

低ISO(このAptinaセンサの場合はISO800未満)時に画素部の付加容量とFD部の間のスイッチをONして、FD容量を”大きく”してゲインを落とし、電子数としての飽和を大きく取れるようにする代わりに、後段でより大きなゲインをかける必要があるので、その際にノイズもよりゲインupされてしまうことにより、DxOmarkのダイナミックレンジ特性の悪化を招いてしまっている。

  • imagerマニア
  • 2014/03/30(Sun.)

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