スマートフォンカメラの性能:センサのメガピクセル数は本当にあなたに何を伝えていますか?

後部カメラのレンズとフラッシュを示すMeizu MX4の背面図。 Meizu MX4はソニーのIMX220カメラモジュールを使用しています; Terry Relph-Knight

デジタルカメラとスマートフォンのマーケティングでは、カメラのセンサーのピクセル数が大きくなることが多いため、大きな数字は良好であり、巨大な数字はさらに優れています。レンズの解像力は決して言及されていません。実際、スマートフォンの場合、カメラレンズはほとんど言及されていません。ハンドセットメーカは頻繁にセンサとレンズを別々に用意していますが、イメージセンサは良質のレンズに比べて比較的安価であるため、低解像度のレンズと組み合わせた高解像度のセンサを見つけるのは珍しいことではありません。その場合、カメラの解像度はレンズによって制限され、カメラの真の解像度は、あなたが信じる広告よりも低くなります。

解像度は、画像内の細かいディテールの要素の間に十分なコントラストを表示することで、これらの詳細を見ることができ、ぼかしとして表示されることがないようにするイメージングデバイスの能力です。分解能を測定して指定するときは、黒と白の線が交互に繰り返すパターンがよく使用されますが、これは測定単位ごとに解決可能なラインペア(通常は1ミリメートルあたりのラインペア数(LP / mm)黒と白のコントラストがあります。

ナイキストサンプリング理論によれば、アナログとデジタルとの間で変換する場合、デジタルサンプリングは最大アナログ周波数の少なくとも2倍で行われる必要があります。これは、センサに関する限り、カメラセンサの領域にわたる解像可能な画像の詳細が実際に利用可能なメガピクセルの数の4分の1であることを意味する。

おそらくレンズにとって最も重要な要素は、その直径です。レンズの他のすべての面が完璧であっても、直径は解像度に限界があり、レンズがどれくらいの光を集めることができるか、より大きなレンズはより高い解像度を有し、より多くの光を集める。一般的なデジタルカメラのレンズの範囲は約10mmから50mmまで、またはそれ以上ですが、スマートフォンカメラははるかに小さく、通常直径約2mmです。ソニーのIMX220など、20メガピクセルのセンサーは珍しくなく、非常に詳細な画像を生成できるという印象を与えています。

従来のカメラレンズは、通常、可変の機械的開​​口、絞りまたはアイリスを有しており、撮影者はレンズを通過する光の量を制御することができる。また、フィルムの最も特徴的な機能の1つであり、多くのビデオカメラは比較的小型のセンサーと限られた光学機器しか持たないため、奥行きの広いバリエーションを創造的に使用することができます。これは、従来のフィルムベースのムービーカメラのすべての被写界深度の制御を使用して、より大きなセンサーと交換可能なレンズがさまざまなfストップで撮影できるため、ビデオ機能を備えたdSLRカメラの人気を説明しています。

大部分のスマートフォンカメラは、比較的小さなレンズを通して最大限の光量を可能にするために固定絞り(レンズは「ワイドオープン」)を有するが、可変絞りを有するカメラレンズに対しては、絞りの直径が制限要因。写真家は、開口の直径を「f」の数で間接的に参照します。ここで、fは、焦点距離を開口の直径で割ったものに等しくなります。典型的なスマートフォンカメラは、約2.0の焦点距離および3mm〜5mmの焦点距離を有する。例えば、Meizu MX4のリアカメラの焦点距離2.28、焦点距離4.8mmは、直径2.18mmの開口部を提供し、BQのAquaris E4.5は、焦点距離が3.5mmに短縮され、開口部に対して2.4のf 1.46mm。

カメラレンズ上のfストップマークの各減少は、開口の面積を倍にし、したがって、レンズを通過する光の量を倍増させる。 Fナンバーの一見奇妙な目盛は、アパーチャの面積が半径の2乗に比例するためです。 fは比または「無次元」数であるため、使用されるレンズに関係なく同じ情報を与える。

写真家は、fナンバーの大きい小さなアパーチャに合わせるときに「停止する」という言葉を使います。小さなアパーチャは、前景から背景(広範囲の被写界深度)までの広い範囲に焦点を当てた画像をもたらし、これにより、より明瞭に見えることがある。事実、被写界深度は狭くなるが、ワイドオープンレンズからの像の合焦部分と比較して、レンズは停止時に低い分解能を生じる。しかし、レンズの縁部に向かって増加する傾向にある光学収差は、明瞭性を低下させ、レンズを開くことによって得られる分解能の増加に対して働くことができる。

開口部が閉じられる最高のf値では、市場をリードするdSLRカメラであってもコンパニオンデフォルトレンズでも、そのイメージングセンサよりも9倍のレンズ解像度が得られる傾向があります。もう一方の極端な場合、絞りを大きく開いた状態では、レンズの解像度は、少なくとも回折に関する限り、センサよりも9倍優れている可能性があります。

実際の(不完全な)レンズは、通常、中心から端部までレンズの全体的な性能を示し、回折および光学収差の両方を考慮した変調伝達関数(MTF)プロットを使用して評価される。しかし、最も完全なレンズでさえも、光が小さな開口部を通過してカメラセンサのような像平面に落ちるときに生じる回折による解像力には限界がある。光は、開口を越えて半球状の波の中に広がり、そのようにすると、干渉効果によって画像内に明るい輪と暗い輪が生じ、その結果、ぼやけが生じる。この場合、レンズの解像度は回折限界であると言われている。

回折限界に達する前に、実際のカメラレンズの解像度は収差に制限があるかもしれませんが、今日利用可能な最良のレンズの光学収差は、回折が性能の限界を設定するほど十分に低いです。ここでのポイントは、良好な設計および構成によって光学収差を最小にすることができるが、レンズ直径(/アパーチャ)に直接関係する回折限界は、レンズ性能に絶対的な物理的限界を課すことである。

結像面にピンホールを介してレーザビームを照射することによって生じる回折によるエアリーパターン; Wikipedia CC BY-SA 3.0

幸いにも、回折によるスマートフォンカメラレンズ(または任意のレンズ)の解像度限界は、多くの製造業者が提供する情報の1つであるレンズのFナンバーから非常に容易に計算することができる。

この簡単な公式では、レンズの解像度が計算されます。Dxは解像度限界での2つのイメージポイント間の距離、fはレンズのFナンバー、光の波長です; Terry Relph-Knight

上記のDxの式は、白と黒のコントラストが15%であると仮定しています(レイリーの基準または限界を参照)。式が示すように、回折による分解能の限界は波長(λ)によって変化するので、紫色(390nm波長)の分解能は赤色(700nm波長)の分解能よりも優れています。以下の解像度グラフが500nmでプロットされています。

Reliance Jioは安価なデータと無料の音声でインディアンテレコムを揺るがす;モビリティ;あなたのiPhone 7を充電しながら有線ヘッドフォンを聴く?スマートフォン、iPhone 7:なぜ今年のモデルで大成功を収めるのか、モビリティ、サムスンギャラクシーS7 Edge with Republic Wirelessでハンズオン:より良いWi-Fi通話体験

このグラフの濃い青の点線は、解像度の回折限界(Dx)に対する広範囲のfストップをプロットして、2つの一般的な関係を示しています。緑色の部分は、一般的なフィルムまたはデジタル汎用カメラレンズのfストップの範囲を示し、赤い十字はほとんどのスマートフォンカメラの典型的なfストップを示しています; Terry Relph-Knight

レンズが高価であり、高性能化のために価格が急速に上昇し、物理学がサイズ関連の性能限界を課すとすれば、従来のレンズを完全に省くことによって、おそらく非常に低コストのイメージングセンサが達成される可能性がある。

レンズなしのカメラの原理は、2000年以上前にカメラの陰影(ラテン語の「暗室」)とその後の小型の丸穴がレンズのように機能するポータブルピンホールカメラとして知られていました。カリフォルニアに本拠を置くラムバス・ラボの研究者らは、渦巻き状の回折パターンでエッチングされた薄いガラス層をイメージセンサ上に直接置くことで、実用的で小型のレンズレスデジタルカメラが可能になると考えています。

ラムバスのブログでは、LSS(レンズレススマートセンサ)と呼ばれる技術について、David Stork博士が説明しています。 Dr。Stork博士は、「現場からの光は回折格子を回折し、センサアレイ上に混乱し、判読不能なように見えますが、伝統的なカメラのようには見えません。このブロブは、元のシーンからの情報を含み、計算によって認識可能な画像に分解することができる。回折格子は精密レンズよりも簡単で簡単であり、計算パワーは比較的安価であり、幅広い用途に適した小型で低コストのLSSデバイスを製造することが可能です。

特定のスマートフォンでのカメラの比較はこの記事の本来の意図ではありませんでしたが、回折式はこの目的に役立ちます(対照的にMTFは簡単に計算できませんが測定する必要があります)。スマートフォンメーカーの仕様書にレンズのfナンバーとセンサーのピクセルサイズが記載されている場合、回折による解像度の光学的限界はfナンバーから計算され、センサーのピクセルサイズと直接比較されます。同様に、これらのパラメータは、MPセンサの実際の数がどれだけ重要であるかを示すために、カメラセンサ上のメガピクセル(MP)の数の比較とともに見ることができます。

このチャートは、スマートフォンのグループのリアカメラのメガピクセル(MP)カウント(大きい方が「良い」)を示しています; Terry Relph-Knight

この第2のチャートは、我々のグループのスマートフォンのカメラセンサーの回折による計算解像度(隣接するエアリーディスクの中心間の距離Dxとしてのミクロン)と公表されたピクセルサイズ(ミクロン単位)を示しています両方の場合)。; Terry Relph-Knight

9台の人気スマートフォンのグループに、リアカメラの2つの棒グラフを作成しました。最初は単純にメガピクセル(MP)カウントを示し、2つ目は、公開されたセンサピクセルサイズと2つのエアリーディスク間の計算された距離(Dx)の両方をミクロン単位で回折解像度限界でプロットします。

メガピクセルだけで判断すると、20万以上のメイズMX4は優れたカメラを持ち、グループ全体で1.79対1の比率をもっているようです。しかし、ピクセルサイズとDxのグラフを見ると、LG G4とSamsung Galaxy S6は、少なくとも明瞭さの点では最高の画像を提供するはずです。 Dxの場合、1.33対1の電話機間の変動範囲はレンズが限定されており、MPの数値よりも小さい。

画素サイズとDxの比較はまた、画素サイズが一般にDxの計算されたサイズの約半分であることを示している。もちろん、カメラのセンサ解像度を光学系の解像度よりも高くすることは悪いことではありません。なぜなら、デジタルサンプリング技術は、サンプリングがアナログ光学画像の少なくとも2倍でなければならないからです。このグループの比較は、カメラの解像度の指標としてセンサーのメガピクセル数を集中させることは誤解を招くことを示唆しています。

Reliance Jioは安価なデータと無料の音声でインドの通信会社を揺るがす

あなたのiPhone 7を充電中に有線ヘッドフォンを聴く?それはあなたにかかるだろう

iPhone 7:なぜ私は今年のモデルでついに大きくなるのですか

Republic WirelessでSamsung Galaxy S7 Edgeとのハンズオン:より良いWi-Fi通話体験