Imager マニア

　以前、ニコンの一眼レフカメラD5200搭載撮像素子が東芝製であることがわかった時のchipworksの記事の中で、「みんなだって、もしソニーとルネサス以外の新しいベンダーを探すならaptinaを選ぶだろう？」の下りの中で

Aptinaの技術として　”DR-Pix”　テクノロジー

というのが出てきました。(冒頭リンクの前半1/3くらいの箇所)

この時私は
「恐らくダイナミックレンジが自慢の回路方式を指すと思われる表現」
と書いたのですが、実際何を指すのか知らなかったので調べてみました。
そうしたら、上記の表現は誤りではなかったのですが、私が想像していたイメージとは異なるものでした。
今回はそんなお話です。

[1回]

↑Aptina(アプティナ)のHPの”technology”の欄に貼ってある”DR-Pix”技術アピール画像
つまり、左が通常センサで、右がAptinaセンサのハイダイナミックレンジ機能を用いて撮影された画像
上の画像が、暗いシーンのもので、下が明るいシーンのもの。

で、どうやって実現しているかというのがコレ
↑さきほどのAptinaオリジナルのHPからyouTube動画で、恐らくAptinaの偉い技術者のおじさんが丁寧に解説してくれています。

　その動画の中から抜き出した画像がコレ↓


















　恐らく、これを見ただけで、解説不要な方が多数出現してしまったのではないかと思うのですが(^^;)、
そうなんです、画素のFD部にスイッチとそれを解して対地で容量をつけただけ　なんです。

　技術がわかりやすいのか、資料がわかりやすいのか・・・
私、英語はほとんどできませんが(特にリスニング(ヒヤリング？))、上記動画はわかりやすくて、英語は聞き取れなくても出てくる図面説明でほぼ理解可能です。
しかも、全体で5分少々ある動画なのですが、上記写真が出てくるのが2:20あたり。もうそれ以降の動画を見る必要は無さそうです、内容的に(^^;)

　多少補足しますと、資料文言の通りなのですが、
　左のスイッチONした状態が、最初の写真の明るい時に使用するモード。
電荷⇒電圧(≒最終出力)変換係数が小さい。”しかし”FD部の容量が大きい”ので”明るい時の画質が素晴らしい(←つまりは白とびしにくいという意味ですね)。
↑この説明が正しいとすると、何か資料の三つ並列にドットを打って書いてある内容は、並列に並べるべき内容じゃない気がしますね。以下も同様ですが
　右のスイッチがOFFした状態が、最初の写真の暗いときに使用するモード。
電荷⇒電圧(≒最終出力)変換係数が大きい。”そして(更に)”読み出しノイズが小さい。”だから”低照度の時の画質が素晴らしい。

　う～ん、これを最初に考え付いて実際行ったのがaptinaなのであれば本当に素晴らしいと思うのですが、今時分としては正直誰でも知っていそうですし、これに特別の技術名称をつけるというのもどうなのかな～
　などと思わず思ってしまいました(^^;)


以下は最早蛇足ですが・・・

　【何でFD部の容量が大きいと変換係数が小さくて白飛びしにくいの？】
　【何でFD部の容量が小さいと変換係数が大きくてノイズが小さいの？】
正しいかどうかはともかく、私の概念としては以下です。
上記動画の1:30あたりからも、図面で説明してくれています。



　Q=CV
Q：電荷[q：クーロン]　/　C：capacitance(容量)[F：ファラッド]　/　V：電圧[V：ボルト]

中学教科書で出てくる、今のところ不変の電気法則です。
上式を単純に変換すると、
　V＝Q/C
フォトダイオード発生するのは、光が電子(場合によっては正孔)に変換されたものですが、電子は一つで1.602e-19の負の電荷を持っています。(正孔は逆に正の電荷を持っています)
それが容量Cを持つFD部に転送されてきます。
　これでFD部には、Q/Cで表される電圧がたつことになります。これが後々まで読みだされる電圧信号の元です。
仮に今、フォトダイオードから転送されてくる電荷Qが等しいとした場合、FD部の容量Cが大きいのと小さいのを比較すると・・・
　大きいC：立つ電圧Vは小さい
　小さいC：立つ電圧Vは大きい

　画素部以降の回路が全く一緒であれば、この時点でFD部の容量の大きいと変換係数小さく、容量が小さいと変換係数が大きくなる答えは出ました。
　
　ここで、回路の電源電圧は(当然センサによって異なりますが)例えば0～3.3Vという風に決まっています。
これ以上もしくは以下の電圧値を表現することは出来ません(実際には他の制約もあるため、0～3.3Vをフルに使えるわけでもないので、もう少し狭い範囲でしか信号電圧として使える幅はありません)。
　で、もし多量に電荷がフォトダイオードから転送されてきた場合、小さいCの方がより大きな電圧が立つのですが、大きいFD容量のセンサよりも先にFD部の電圧が0もしくは3.3Vの限界に達してしまいます。