Imager マニア

さて、CESも終わり、成人式の日になりました。今年も荒れているのでしょうか。
はて、私は”成人式に着て行ったスーツ”というのがあったことは覚えていますので、成人式に行ったのは間違い無いのだと思うのですが、何故だか記憶にほとんど残っていません・・・

・・・とまあ、そんなことはどうでもよく(^^;)、CESではカメラやイメージセンサに関係無く、興味を惹かれるニュース(≒発表)がいくつかあったのですが、
カメラ関係で言えば、やはりニコンのD5及びD500が最もホットで、また意表を突かれるところだったのではないでしょうか。

それでもD5の方については、オリンピックイヤーであることもあり、
近々発表されることは誰しも疑いの余地無く、単に発表がCP+かCESかというせいぜい2ヶ月弱の時間的誤差に過ぎなかったと思うのですが、
D500の発表を予想されていた方はほぼ皆無だったのではないでしょうか？
　これらのイメージセンサの写真なども、例によってデジカメwatchさんには掲載されていますので、近い内に何かはblogエントリしたいと思っています。

　で、今回は、まだ前回の産業用カメラのPointGrey編が途中でしたので、そちらの続きを先にいきたいと思います。


↑PointGreyのカタログのカメラごと(≒センサごと)の特性値一覧

[3回]

※正確には、イメージセンサ単体の特性値では無く、PointGreyが設計したカメラでの特性値ですが(つまり、イメージセンサだけの特性値を反映したものでは無いですが)、そこは同じカメラメーカーが作ったものなので、ほとんどイメージセンサ単体の特性値を反映した結果と考えて良いのではないかと思っています

※灰色ハッチの欄は、PointGrey社のカタログに載っていた数字ではなくて、私が興味で付け加えてた箇所になります

※カメラの信号出力スループット(MB/sec)については、カメラで使用しているインターフェース規格による制限で決まる可能性もありますが、カタログを見る限り、インターフェース律速になっているカメラはほぼありませんでしたので、基本イメージセンサの信号出力レートを反映した結果だと思って良いと思います

※複数のカメラで使用されていたイメージセンサについては、いずれの特性値も、複数のカメラで数字の良かった方の値を、そのイメージセンサの特性値として上表には記載しています

※今回の特性値に関しては、全て”モノクロカメラ”の特性値となっています。つまり、それぞれのカメラに搭載されているイメージセンサは、カラーフィルタののっていない”モノクロセンサ”の特性値であると思われます


↑センサごとのQuantum Efficiency (%) @525nm

　正確な測定方法までは載っていなかったと思うのですが、
恐らくレーザーの様な光源で、525nm(←意味するところはGreen光源に対する)ピンポイントの波長光を入射させた際の量子効率。

横軸の並びはどうしようか迷ったのですが、センサ設計メーカー別に分けました。

”量子効率”自体は、”カメラに入射した光子がすべて電子に変換されて信号に利用できたら量子効率100%になる”という様な特性値と理解しています(つまり光をどれだけ無駄無く電気信号に変換できるセンサか？を見る指標)。
つまり、”量子効率は高いほど良いイメージセンサ”であることは間違い無い訳ですが、
　”果たしてカメラを使う側のユーザー目線に立った場合、この特性値が重要な指標なのか？”
と考えた場合、個人的には疑問です。

　というのは、最終的にカメラを使う側として重要なのは”感度”(もしくはS/N)なのではないかと思うからです。
つまり、量子効率が悪くとも画素ピッチ(≒画素面積)が大きければ感度が高いイメージセンサになりますし(←その代わり、同じチップサイズであれば画素数が減って解像度は下がってしまうというデメリットあり)、量子効率が高くとも、画素ピッチが小さいイメージセンサにしてしまえば感度は下がってしまうからです。

　という訳で、上記個人的思想(？)により、上図の”量子効率”の値にそれぞれのイメージセンサの画素面積(＝画素ピッチの2乗)を積算した値でグラフを書き換えたものが以下となります

↑各イメージセンサの感度(量子効率×画素面積)
※よって、縦軸の”感度”の値はディメンジョン無しの相対値となりますのでご注意ください

　ひとつ上の図と横軸のセンサの並び順は変更していません。
随分と見た目が変わることがわかると思います。
最初の図を見ただけでは、ソニーの最後のICX414というセンサなど”なんでこんな特性の悪いセンサをわざわざ使ってカメラ作ってるんだ？”と疑問に思ってしまいますが、
この擬似的に出した感度の特性値を見ると、逆に感度は最も高いセンサであると予想され、
恐らくPointGrey社が、”感度を何より優先する顧客向けにこのカメララインナップを残しているのだろう”という推測が出来るのかなと思います。

　その他感度に関する補足図ですが、

↑感度の画素面積依存性

　使っているデータは、一つ上の図と全く一緒です。
(横軸の値を用いて縦軸の値を算出しているため、ある程度相関があって当たり前で、半分自作自演っぽくて嫌なのですが^^;)
ごく当たり前のことですが、”1画素の感度”≒”いわゆる一般的に感度と呼ばれる指標は画素面積に強い依存性がある”ことが見て取れます。
　ですので、個人的に何を言いたかったかと言いますと、”量子効率の値では無く、こちらの感度の値、ないしは後で出てくるSNの値を見てカメラを選ぶ方は選んだ方が良いのでは？”ということです(^^;)

(ただ、イメージセンサを作っている側＝設計している側の人間にとってはある意味”量子効率の方が感度より重要な指標である”という主張であれば、それは理解できます。
確かに”感度を稼ぎたいなら画素面積大きくすりゃいい”というのは誰にでも出来ることであって、設計する側の人やメーカーの腕の見せ所では全く無いので。
PointGrey社はどっちかというとセンサ製造側の立場に立っているんですかね？^^;)



↑センサごとのTemporal Dark Noise (e-)

　originalのカタログには、Temporal Dark Noise / Read Noise　となっていて、
まあダーク時のランダムノイズと思って良いのではと思います。
ですので、この図は”小さい値を示す方が良いイメージセンサ”となります。

　感度と並んでイメージセンサの最も重要な特性値の一つと思う訳ですが、
さきほどの量子効率の図でも感じましたが、なんとなく全般的に見ると、やはりソニーのイメージセンサ(左側の約7割の領域)の方が良い感じだなと。
中でもIMX252と250は他のセンサに対してかなり小さい値を示していますね。
　少なくとも、e2VとCMOSIS製のセンサは2品種ともこの中ではノイズ多めに見えます(^^;)

　で、ここでもAptinaのMT9V～という長ったらしい名前のセンサの値が突出して悪く、
”んだよ、こんなセンサ積んだカメラ誰が買うんだよ？”
と思ってしまった訳ですが(^^;)、どうもこれにも理由があるようで、いちいち図に起こしませんが、
このセンサは冒頭の表の850nmと950nmの入射波長に対する量子効率・・・つまり赤外感度に直結する特性値が他のセンサよりも突出して高く、
恐らくPointGrey社は”赤外光も捉えたい要望のある顧客向けに”このカメララインナップを残しているのでは？と推測出来ます。
ちなみにこれはセンサ名称からも明らかですが、やはりこの中ではややノイズの多いCMOSIS社の”CMV4000NIR”センサ搭載カメラも、同様の狙いでのラインナップと思われます。

(CMOSIS社のもう一つのセンサは同じ名前でNIRが取れたCMV4000ですが、これは恐らく二つとも同じイメージセンサで、NIRの付かないノーマルの方はセンサ前面に赤外カットフィルタを付けたモデルということなんでしょうね、きっと)



↑センサごとのSaturation Capacity (Well Depth) (e-)

　つまり、センサのフォトダイオードに貯められる最大の電子数ですね。
ですので、この特性値に関しては、”値の大きい方が良いイメージセンサ”となります。
　この特性は、”値の大きなものはソニー製センサ”みたいな傾向があるように見えますね(←ソニー製センサでも値の小さいものも存在し、平均値を取ったらメーカー間で大きな差異は無いかもしれないが)。

　で、この特性値は、画素ピッチ(≒画素面積)とセンサの電源電圧に依存性が強いものと思うのですが、(センサの電源電圧は載っていかったと思うので、)
ここでも補足図として、飽和電子数の画素面積依存を以下に↓

↑やはりある程度の相関がありますね。

この図の相関線から大きく上に外れている(＝画素面積の割に飽和が多い)イメージセンサは、originalの図でも突出していた、ソニーのIMX249とIMX174の画素ピッチ5.86umピッチのコンビ。
恐らく両センサの画素は同じものが用いられているのだろうと思いますが、飽和特性的に見れば非常に効率の良い画素と言えると思われ、このセンサの設計者は良い仕事してるなという感じでしょうか。



↑センサごとのダイナミックレンジ(dB)

恐らく、20log(S/N)の式のNに後に出てくるダーク時のノイズ、Sに飽和出力の値を単位を揃えて代入した際の値を縦軸に取っていると理解しました。

ソニーセンサの更に左側の方、IMX174、249、252、250の4つのセンサがトップ争いしてる感じですね。
これは前者二つのセンサは特に飽和が大きく、後者二つのセンサは特にノイズが小さかった結果、共にダイナミックレンジの特性でトップ争いをしている構図です。
ちなみにIMX252と250は画素ピッチ3.45umで同じです。こちらも同じ画素が用いられているセンサなんでしょうね。

で、上述した様に、ダイナミックレンジは飽和とダークノイズ双方に依存している値だと思いますので、補足としてそれぞれの関係を以下の図に残しておきます。

↑ダイナミックレンジの、それぞれ左がダークノイズ、右が飽和に対する依存性

　どっちかと言うと、ダークノイズの方により強い相関がありそうでしょうか。



↑各センサのSN比”Max”

　上図はOriginalカタログにある”SN Ratio Max"という項目を図にしたものです。
が、結論から書くと、これは上の方に載せた”Saturetion Capacity(e-)”(≒飽和)とほぼ同じことを指しています。
実際に飽和電子数とこのSN比Maxの関係を図にしたものが以下です。

↑相当強い相関があることがわかります。

　これは、”SN比がいったいどういった状態の時にMaxになるのか？”と考えた時に謎が解けます。
答えはどの様なセンサでも”飽和、もしくは飽和に近い時”です。

というのは、まずイメージセンサは、回路などが出すベースノイズ、フロアノイズをある一定量必ず持っています。ですので、基本SN比的にはSignal量の少ない状態(≒光入射量が小さい時)でSN比がmax値を出すことはどんなセンサでも普通あり得ません。
(≒ある一定以上の光量が入射した時にSN比がmaxになる可能性が出てきます)

他方、詳細な説明はここでは省きますが、SNのN＝ノイズの方は、ある一定の光量以上の領域においては、”光ショットノイズ”というノイズが、イメージセンサのノイズの中で支配的になります。
で、フォトダイオードにたまった信号電子数を仮にNとすると、平均して√N(←ルートN)電子が光ショットノイズ成分として揺らぐという性質(？物理法則？)を持っています。
そのためSN比で考えた場合、信号電子数Nに対してショットノイズ√Nですので、
　SN比 = N/√N ＝ √N
で、結果、信号電子数Nが増えれば増えるほどSN比が向上することになります。

　以上のことより、どの様なセンサでも、フォトダイオードに蓄えられたSignal≒電子数が最も多い時≒飽和時がSN比MAXとなり、
そしてセンサ間でSN比Maxを比較すると、フォトダイオードに溜められる電子数が多いセンサ≒飽和電子数が多いセンサの方が、より”SN比maxが大きい”というところから、
上図の様な飽和とSN比Maxの強い因果関係になっていると思われます。

　ですので、飽和とこの”SN比Max”は指標として重複していますので、どちらかを見ていれば良いということですね。


　最後に、各カメラの信号データのスループット(MB/Sec)↓です。


ソニーのいくつかのセンサに並んで、ここではCMOSIS製センサがトップタイという感じですね。
確かに私のイメージでもCMOSIS社センサは基本信号読み出し速度速いな～という先入観はありました。
　ちなみに”フレームレート”という指標もあると思うのですが、私の興味としては、”センサの特性の優劣を見たい”と思い、
画素数やAD分解能の違いを吸収してある程度平等にセンサの信号読み出しスピードを比較できるこのスループット(MB/Sec)の方を選びました。


　さて、今回は以上なのですが、”結局どのセンサがいいのよ？”
というか、個人的に勝手にセンサに順位をつけたくなるというか、
別の言い方をすると、仮に私がこういったカメラを選ばなければならない立場に会社でなったらどれを選ぶのか？
　と楽しく考えた(^^;)場合に、(もちろん個別の事情により選択は変わる訳ですが、ここはあえて汎用に無難に選ぶとすると)

　やはり途中で名前を挙げたソニーの4機種(IMX249、174、252、250)のいずれかで迷うのがいいかな～という気がします。
(いえ、わたくし決してソニーの回し者ではありません^^;)

　上記センサはいずれもCMOSセンサですが、グローバルシャッタセンサですので、もうこの4機種があれば、お値段以外にCCDセンサをあえて選ぶ理由が今無いように思います。
(実際ソニー自体も結構先ですが、CCDセンサを製造中止することを公表している時代ですし)

　で、後は上記4つのセンサを積んだカメラの中から230万画素1/1.2インチフォーマット(IMX174、249)か、300～500万画素1/1.8インチフォーマット(IMX250、252)かを、用途によって選び、
その後、2機種の内から、フレームレート、お値段、カメラの出力インターフェース(USB 3.0かGigEか)で絞り込むという。

　最後は勝手なことを書きましたが、新年、産業用カメラという私にとっての新ジャンルへの足がかりを作れたので、このエントリをしてよかったかなと思いました(^^)