Kappa社用サポート

ホームページのトップへサービス&サポートKappa社用サポート

ドイツKappaカッパ社や製品関係に関して、よくある質問をまとめました。

Kappa opto-electronics社製品リストもご参照ください

KAPPA社の最新情報は｢お知らせと新情報｣の項目を参照ください。

よくある質問(FAQ=Frequently Asked Questions)の目次
  1. デジタルカメラ(デジカメ)と従来のカメラ(アナログカメラといえないことはありませんが)とは？
  2. デジカメ(CCDカメラ)の基本的な構造は？CCDは白黒のみと言われますが何故カラーになりますか？
  3. CCDの1/2型とか1型とは？
  4. 画素数とかピクセル数とは？例えばCCDの1/2型との関連は？
  5. ではCCDは｢型｣は大きくかつ画素数も大きい物が良いのでしょうか？
  6. インターラインCCDとかフルフレームトランファCCDとは？
  7. インターレスCCDとかプログレッシブスキャンCCDとは？
  8. CCDの感度は？
  9. ファイヤワイヤ、カメラリンクとかIEEE1394とは？
  10. CCDは光を取らえると言う事ですから、例えば天体などの非常に暗い観察も出来ますか？
  11. 冷却CCDとは？
  12. レンズマウントとは？


よくある質問(FAQ=Frequently Asked Questions)の回答
  1. デジタルカメラ(デジカメ)と従来のカメラ(アナログカメラといえないことはありませんが)とは？
    (答) 従来カメラといえばレンズにて作られた像をフィルムに感光させ現像して印画紙に焼き付けます。欠点は全て撮影、現像し印画紙に焼き付けないと写真が見られないことです。また一度感光したフィルムは新しいものに取り替えなければいけません。デジカメの愛称で言われるデジタルカメラはフィルムの代わりにCCD(Charged Coupled Device)電荷結合素子に記録されます。記録された画像はアナログ/デジタル変換を経てデジタルデータとして内蔵メモリや記録メディアに保存されます。またCCDは何度でも再利用が可能です。そのため撮影直後に画像をチェックし記録を削除できるのが利点と言えます。デジカメは内部処理がデジタルになったための呼称といえます。また最近はCCDの代わりにCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの撮像素子を使った機種もあります。なおレンズを通過しフィルムかCCDに画像を送る光学的な原理には変わりがありません。もう少し科学的に言うとフィルム、別名銀鉛カメラはハロゲン化銀の感光性を利用してカプラが発色して画像を作りますが、CCDセンサでは中にフォトダイオードがあり光を電荷に変換します。フォトダイオードがCCDセンサの画素ごとに電荷を取り出し画像情報を出力しているわけです。

  2. デジカメ(CCDカメラ)の基本的な構造は？CCDは白黒のみと言われますが何故カラーになりますか？
    (答) 構造に入る前にCCDの歴史を紐解くとCCDイメージャというものは1970年アメリカのベル研究所のBoyle及びSmith両博士により発明されました。デジカメとして1979年白黒CCDカメラの商品化、1980年カラーCCDカメラの商品化がなされました。日本では80年代初期にソニーから発売されたマビカと言われています。1985年にはCCDによる8mm家庭用ビデオカメラが実用化され、1989年にはパスポートサイズの家庭用ビデオカメラも登場しました。1992年1/3型38万画素のCCDが家庭用ビデオカメラに使用され、1993年には0.5µmプロセスの導入で1/4型でプログレッシブスキャン方式(後項で説明)のCCDも登場してきました。そしてデジカメとして実際に普及し始めたのは翌1994年のカシオから発売されたQC-10からといわれます。これは25万画素でしたが背面にカラー液晶を積み現在の主流となっているデジカメの原形で世界初のものでした。さて基本構造ですが、CCDセンサ内部のフォトダイオードが光を電荷に変換することは言いました。CCDセンサのこの光を感じる部分(受光部)の数を画素(ピクセル)といい2次元配列です。例えばパソコンの一般ディスプレイの1024ｘ768ドットの解像度は約85万画素です。これだけの画素にそれぞれ受光部としてフォトダイオードが配列されているわけです。しかも光を効率よく集光するためにフォトダイオードの上にマイクロレンズが組み込まれます。フォトダイオードでは光があたると起電力が発生する光起電力効果を利用しています。この光の強さに応じて発生した電荷を外部へ取り出すのがじつはCCDなのです。CCDセンサとはフォトダイオードとその周辺でCCDという電荷転送素子を備えたデバイスと言えます。詳細は省きますがこの組み合わせで光から変換された電荷が移動させ出力されます(インターライン型CCDです)。
    上述したように、CCD の各画素が判別するのは実は光の強さだけなのです。ということは結像している画像の形は光の強さに応じた白黒の濃淡の情報しかありません。何故カラーになるのでしょう。これはCCD の各画素にカラーフィルタをかぶせることで色を識別してカラー画像情報を得るのです。カラーフィルタには2種類ありテレビと同じ｢光の三原色といわれるR(赤)、G(緑)、B(青)」とプリンタのように三原色の｢補色である C(シアン)、M(マゼンダ)、Y(黄)に、G(緑)を加えた4色」との2タイプがあります。原色フィルターの特長は感度は低めですが鮮やかな色再現が行えることです、反対に補色フィルターは光の透過率が高く感度は高くできますが、画像の彩度は低く鮮やかな色再現するのは得意ではありません。さて後者の例でこれらの各色フィルタを碁盤の目のように2段(2列)にわたって交互に配列していますので、一つの画素からはいずれか一つの色情報のみが得られることになります。各色の光強度はA/Dコンバータ(アナログ/デジタル変換器)により数値化されます。光の強さすなわち明るさの上限と下限、そしてその範囲を何段階に分割するか階調数を決め、アナログ的な光の強さを階調のなかで最も近い値に置き換えていきます。この強さを8ビット(2の8乗＝256階調)に分割し、全ての画像情報を画素単位ごとにこの変換器で色に応じた光の強さをデジタル数値化するわけです。次に｢補間処理｣を行ないます。カラーフィルタでおおった画素は、各々1色ぶんのデータしか持っていませんので、残り2色の色情報をその周辺の画素のデータから推定して演算していきます。これが｢補間｣です。この演算をすべての画素についておこなえば、それぞれの画素に光の3原色のデータがそろうことになり、これらを統合すれば隙間なく補間したカラーのデジタル画像ができる仕組みになっています。ただこの演算の方法(アルゴリズムと言います)で画質や変換速度が大幅に異なります。

  3. CCDの1/2型とか1型とは？
    (答) 仕様に記述されてある1/2型とか1型はCCDのサイズの事です。国際単位系(SI)導入による日本での｢計量法｣の改正及び罰則からインチが使用できませんのでインチを型と表現します。すなわち1/2型は1/2インチ(=25.4mm/2=12.7mm)ですが、例えば総画素数分の長方形の対角線の長さ(*)を表していますが実測値とは一致しません。下記参考図のように一般的なCCD撮像素子で1/2型の対角線は1/2インチ=12.7mmではなく8.0mmです。同様に1/3型は8.3mmではなく6.0mmで、2/3型は16.9mmではなく11.0mmです。
    (*)CCDは撮像素子でそのサイズは対角線の長さで表す慣習ですが、そのサイズ表現はテレビカメラに真空管が撮像素子として使用されていた時代からの伝統を引き継いでいます。当時テレビカメラ撮像管の直径はインチ表示でした。その撮像管直径に1インチ、2/3インチ、1/2インチなどの種類がありました。もちろんその撮像管の外形サイズ一杯に映像は取れませんから例えば1インチと言っても1インチより小さな範囲になるわけです。テレビの横縦比は4:3ですので参考図のような寸法になり、例えば1/2型撮像素子の対角線の値は1/2インチ(=12.7mm)のはずですが、1/2型撮像素子の実測値は8.0mmです。この撮像管が実際に撮像できる範囲は上述したようにかなり小さくなり参考図の対角線の長さに相当して表示します。その後にCCDが登場します。撮像管では出来なかったより小さいテレビカメラの開発がCCDの登場で可能 になりました。そして第1項にて説明しましたようにテレビカメラのフィルムがCCDに変更されただけで光学的な原理は変わっていませんので、今まで出回ってきた光学系をそのまま引き継ぐことが出来る方がレンズの流用も出来て都合が良かったわけです。こういった背景からCCDの有効撮像範囲も撮像管のそれに準じて設定されました。時代の流れから現在では様々なサイズのCCD撮像素子が市場に出回っており、一概に2/3インチ、1/2 インチといった表現に当てはまらなくなっていますが、これまでに定着した習慣はなかなか変更できずCCDが適合できる光学系のサイズとして現在でもインチ表現が日本では｢型｣として踏襲されているわけです。CCDサイズの表記に使われる｢1/2型CCD｣とは｢撮像管1/2インチ用の光学系に適合できるサイズのCCD｣といえます。このため意外にカタログのサイズに誤解が多く、CCDの実際の有効撮像範囲としては有効画素数とCCDセンサ1個の大きさ(セルサイズ)で計算した値が正しくなります。

  4. 画素数とかピクセル数とは？例えばCCDの1/2型との関連は？
    (答) 小さな正方形の画素が碁盤のめのように格子状に配列されおりこの画素(ピクセル)の数全部を総画素数といいますが、周辺部分はデータ処理で使用され実際に使われる有効画素数は小さくなります。例えば前項の1024x768=786,432ですがこれは有効画素数ですから、実際には上述したように約85万画素が使われます。
    次に画素数とCCDサイズの関係ですが、今仮に100万画素数を越えるメガピクセルの例、CCDの1/2型で140万画素で説明します。横縦比4:3ですと1400ｘ1050ピクセル=147万画素ですが、前項の参考図から1/2型の横の寸法6.4mmを横の画素数1400で割りますと約4.6µm(縦4.8mmを画素数1050で割ると同じく約4.6µm)になります。ということはCCDイメージセンサ1個すなわち1画素は4.6µmということになります。同様な計算からCCD1型は9.1µm、2/3型は6.3µm、1/3型は3.4µm、1/4型は2.6µmとなります。同じ画素数では｢型｣の大きいCCDのほうが1個のCCDセンサが大きく光をそれだけ多く集めることができて感度が高く諧調表現は実際に近づきます。さらに36(横)ｘ24(縦)mmフルサイズの35mm(135)判のフイルムに対して前項の参考図から分かりますように大きさが通常フィルムの1/4から1/20くらいの小さくなりますので、レンズ焦点距離やカメラボディサイズも非常に小さくコンパクトにまとめることができるわけです。ただしCCDのサイズが大きいとレンズの焦点距離を極端に短くしなくてすみ、被写界深度を浅く没定できるため背景や前景をボカした写真も写すこともできます。ちなみに通常の35mmフィルムを画素数に換算すると1500万画素以上あるとも言われています。

  5. ではCCDは｢型｣は大きくかつ画素数も大きい物が良いのでしょうか？
    (答) 画総数が大きくまたCCDセンサの｢型｣の大きい物が高画質でまた諧調豊かに表現できることはまちがいありませんが、画像をパソコン上の表現したり画像データを送信するという用途においては、高画質ということが必ずしも良いあるいは適切とはいえません。前述したパソコンの一般ディスプレイでは1024x768ピクセルが良く使用され、これは画素数では約85万画素ですからこれ以上のメガピクセルなど不要と思われます。ただしCCDからの信号はそのまま記録メディアに書き込まれているわけではなく、CCDからの信号はカメラに搭載されたLSIによって解像度の確保と色鯛の補正が行なわれますのでやはり1024x768ピクセル以上はあったほうがベターです。では最近では良くある300万画素ではどうでしょう。これですと2048x1536ピクセルになり、これを簡単にデータ量に換算しますと、原色フィルタのRGBで考えても各ピクセルにRGBの情報で3倍のデータ数になります。各ピクセルの例えばRの諧調を256諧調にすれば第2項に説明した8ビットデータ(1バイト)になります。すなわち2048x1536で300万、RGBで900万バイト、すなわち9MBです。実際にはJPGなどの圧縮技術により1.6MBくらいになりますが、それでもデータ通信には非常に多きなデータ量といえます。高画質=写真画像の良さとは一概にいいきれませんが用途によりやはり｢型｣と画素数の考慮が要ります。

  6. インターラインCCDとかフルフレームCCDとは？
    (答) オリンパス株式会社様HPのCCDセンサ図面を借用致しました。非常に分かりやすく図解されてあります。

    第2項でCCDセンサとはフォトダイオードとその周辺でCCDという電荷転送素子を備えたデバイスと言いましたが、CCDは狭義ではフォトダイオードで光が電荷に変換され、そのフォトダイオードの周りにある電荷の転送路のことのみを指します。この転送方法に大別してインターライン型、フルフレーム型、フルフレームトランファ型があります。インターライン型CCDとはIT型CCDとかIL型CCDとか呼ばれますが、受光素子のフォトダイオードと電荷転送素子のCCDから構成されており、1つの素子に受光部と電荷格納及び転送部が組み込まれているわけです。各画素受光部は約3割の大きさのためにマイクロレンズを必要とします。各画素の残り7割が電荷転送素子に使用されます。電子シャッタのみでメカニカルシャッタやストロボは不要で動画用イメージセンサになります。これに対してフルフレームトランスファ型CCDはFFT型CCDとも言われ、マイクロレンズは不要で転送路を別に持つ必要はありませんが電荷格納用CCDを別途必要とします。受光した光を一度格納するCCDに転送し、次の露光中に格納している電荷を呼び出す構造のためメカニカルシャッタは不要ですが2倍の面積のCCDが必要です。フルフレーム型は画素全て受光呼び出しにつかえますので感度は高くダイナミックレンジも大きくなります。ただし呼び出し中は露光できないためにメカニカルシャッタが必要となり(画像転送時に光りがあたっていると転送方向に光すじが生じてしまうスミア(CCDカメラで生じるゴーストの総称)が生じ、それを防ぐには画像転送時にシャッタでCCD前面を覆わなくてはいけません。そのためにメカニカルシャッタが必要となります。)静止画を得るのに適しています。あるいはストロボ光により照度をあげ短い露光時間も可能です。

  7. インターレスCCDとかプログレッシブスキャンCCDとは？
    (答) どちらも光の強さに応じた電荷を呼び出す方式です。インターレス方式は飛び越し方式でCCDのデータを例えばTVのように1行おきに映像に変えています。1、3、5...と偶数行目の映像1秒間に30枚作られ、次に2、4、6...と奇数行目の映像が同じく1秒間に30枚作られます。そしてそれぞれをフィールドと呼ばれる偶数行目のデータと奇数行目のデータ1コマ(1フレーム)が作られます。1/60秒間の映像２枚を合わせたために、もし被写体がわずかに移動しても作成された映像は櫛の歯状にずれることがあります。これはテレビの走査線が上から順に描写してるのではなくて、奇数番目と偶数番目を交互に描写していることと密接に関係しています。昔ながらのテレビの画面はインタレース式で表示されています。ビデオカメラもテレビで見るためのものですから録画するデータもインタレースが良く採用されています。しかしパソコンの普及とともにより高画質が求められ静止画像でも美しくという要求が出てきたため別なプログレッシブスキャン方式が考え出されました。 プログレッシブスキャン(順次走査)は1行ずつのデータを映像に変えていきます。パソコンのモニターはもともとプログレッシブ方式です。なおデジタルカメラのCCDにもインタレース式のものがありますが、速い動きが櫛の歯状にずれるといったことはまず起きません。あくまでもその取り込んだデータから静止画用データを抜き取ると起こりえます。プログレッシブスキャン方式では静止画用データを抜き取っても起こりません。

  8. CCDの感度は？
    (答) フィルムの感度はフィルムの光に対する化学反応の速さを客観的な数値で表したもので一般にはISOで表されます。デジカメ(CCDセンサ)ではフィルムの感度に換算した場合の値を示していることが多いようです。感度が高いほど露光する時間が少なくてすむので暗い場所でも撮影することが可能になります。フィルムの場合ISO値が低ければ粒子が密で、高ければ粗いという特長がありますが，デジタルカメラのCCDの感度は複雑です。デジタルカメラのCCDの感度とはCCDのサイズ/画素数=1画素のサイズに影響します。例えば同じサイズ1/2型とします。このCCDで片方が85万画素もう一方が140万画素の場合、同じサイズである以上そのCCDに降り注ぐ光の量は一定であり、相対的に1画素の占める面積は後者のほうが小さくなり結果として受けられる光子の数も少なくなり感度不足をもたらすようになります。つまり同じサイズのCCDであれば高画素のもののほうが原則的なCCD感度は低いことになります。しかしCCDにはフィルムでいうところの増感と同じようにデジタル処理によるゲインアップがあります。これはCCDに入っている光子の量を一定の割合で増幅することによって見かけの感度を上げる処理です。しかしその結果はフィルムの増感と同じで画像が荒れるだけです。何故なら画素が小さいということは光を受け入れられる量が少ないということで、その画素で表現できる光の階調が少ないということになります。少ない階調を増幅しても結果的には階調そのものを細かくして拡大したことにはならず、結果としてわずかな色のばらつきも増幅することになり、色のばらつきの激しい画像を生むことになります。CCDではこの現象を少しでも緩和するために各画素の表面に小型の集光レンズ(マイクロレンズ)を取り付けることでより多くの光を受け入れるようにしています。
    このため感度の変わりに照度を使って仕様を記述することもあります。照度(Lux=ルクス)は我々の生活の中で明るさを表す数値として一番馴染みの深い単位です。昼間の明るさも部屋の中の明るさも家庭の居間の明るさも、すべて照度によって数値化されその値でおおよその明るさを認識できます。人間の目は日中の一番明るい150,000ルクスから月明かりの0.2ルクスまでおよそ1:750,000の明るさの変化を認識できます。理論的には照度は光源から物体に照射される光の量で示されます。単位はルクスですがルクスの意味は1m2当たりにどれだけの光束(ルーメン)が照射されているかを示す値です。従って発光体そのものの明るさの場合は照度とは言わず光度とか輝度という単位で表しています。照度は光を受ける量の単位ということができます。光をたくさん与えても光を吸収する黒いものはそれほど明るく見えません。逆に白いものは光を多く反射するので少しの光でも認識することができます。同じ照度でも明るさの見栄えは違ってきます。

  9. ファイヤワイヤ、カメラリンクとかIEEE1394とは？
    (答) ファイヤーワイヤー(FireWire)、i・LINK、IEEE1394は皆同じ意味です。パソコンとデジタルビデオカメラなどの周辺装置とを接続するApple社が中心になって開発した新しい高速シリアルバス規格のことで、数珠つなぎ方式で63台までの周辺装置が接続できます。非常に高速のために大量の動画データなどの転送にすぐれており、デジタルビデオカメラでこの規格を採用しているものもあり、対応ハードディスクなども発表されています。またシステムが稼働中でも周辺装置の抜き差しが可能でOSはこれを自動的に使える状態にしてくれます。パソコン業界では｢ファイヤーワイヤー(FireWire)｣と呼んでいますが、家電メーカーでは火のイメージを敬遠しSONY社提唱の｢i・LINK｣やカメラリンクと呼んでいます。　その後にIEEEE規格の一つとして標準化されて｢IEEE1394｣になりました。IEEE1394は最大転送速度により｢a｣と｢b｣があり1394a=400Mbps、1394b=800Mbpsです。

  10. CCDは光を取らえると言う事ですから、例えば天体などの非常に暗い観察も出来ますか？
    (答) CCDは入ってきた光を電子に置き換えて蓄え、かつCCDは非常に量子効率(入ってきた光のうち実際に信号として記録される光の割合)は良いのですが、熱によっても電子が蓄えられる性質がありますので、露出時間が長くなると熱による電子(暗電流またはダークノイズとも呼ばれ、CCDを長時間露光していると完全な暗闇でもこの暗電流と言われるノイズが発生し蓄積されます。そして白い点としてそこに光があるものとしてしまうこともあります)が光による電子より多くなってしまいます。これを防ぐためにはCCDを冷却して熱による電子を減らす仕組みになっているのが冷却CCDカメラです。 冷却CCDカメラとは受光部にCCDチップを搭載し、そのCCDチップを冷却するシステムを持ったカメラのことで露出時間の長い天体撮影用として広く普及しつつあります。CCDを冷却することにより暗電流の発生を押さえることができますが完全になくすには−100ºC程度の冷却が必要と言われます。さらに幸いなことにこの暗電流ノイズは冷却温度と時間によって再現性が高いため、同じ冷却温度と露出時間で光のない空間を撮影した画像(ダークフレーム)を用意し、画像同士を減算することで除去できます。

  11. 冷却CCDとは？
    (答) 前項にて述べたようにくらい光、すなわち微光及び弱光検出用には冷却CCDカメラが必要です。冷却方式は大きく分けて電子冷却型と液体窒素冷却型があります。前者はペルチュ素子(*)を用いて-50ºCまでCCDを冷却し、ある程度光が弱いところで使用します。後者は液体窒素を冷媒として-80から-130ºCにCCDを冷却し非常に微弱な光の領域で使用します。
    (*)ペルチェ素子はペルチェ効果といって低電圧(5〜15V)の直流電流によって片面からもう片面へ熱を移動させる半導体で構成されています。これはp形およびn形半導体を熱的に並列に配置して直列に接続して電流を流すと、ペルチェ効果によってそれぞれの面において吸熱と放熱が起こるものです。したがって片面が冷たくなるともう片面は熱くなります。当然かける電圧電流によって冷却効果は違ってきますし、それに伴う発熱をいかに処理するかが非常に重要なポイントになります。この特性を利用してCCDに冷たくなる面を接着してCCDを冷やそうというのがペルチェ冷却です。何故ペルチェを使用するかというと、一般的な空冷では室温よりCCDの温度を低くするのは不可能ですが可能なためです。ただし熱くなったもう片面の処理も重要です。

  12. レンズマウントとは？
    (答) レンズマウントとはレンズ交換式のカメラに置いてレンズを装着するために取り付けられたボディー側の座板のことで、レンズ交換によりその部分が摩耗しないよう特に強い金属で作られています。バヨネットマウント式、ネジ込み取り付け式があります。バヨネットマウントはレンズ側に3個または4個の爪があり、これをカメラ側の対応した凹部にはめてレンズを回すと一定の位置でロックピンが入って固定される構造のものです。着脱が早く位置の固定が確実で、自動絞りやTTL測光機構との連結が正確でしかも容易であるため一般の一眼レフの殆どに採用されています。ネジ込み取り付けは交換レンズをボディにねじ込んで取り付けます。CCDカメラの場合は一般にCマウントが多いようです。



 資料のお申し込みやご意見はE-mailにてお聞かせください！