デジタルカメラの原理について｜撮影から画像処理まで分かり易く解説

これからデジタルカメラの原理についてご紹介していきます。原理が確立するまでは、各カメラメーカーと開発者の熱意のこもった思いが込められているのです。

下記リンクにデジタルカメラの歴史について詳しく書かれてます。興味があるかたは5分ほどで読めるので是非読んでみてください。

現像までのには大きく分けると3つの工程に分けることができます。

1.被写体をレンズに収める

2.シャッターを切りデータとして本体メモリまたはSDカードに保存する

3.現像

です。

今回は特に1と2の工程について詳しくご紹介していきます。

デジタルカメラの構造と各部品の役割についてまとめました。より優れたデジタルカメラを選択する為に構造を知りたい方、各部品について興味がある方はぜひ読んでみてください。

デジタルカメラの種類についてまとめました。デジタルカメラは種類によって得意とするシチュエーションが変わってきます。得意分野を知れば素早く理想的な撮影ができるので是非参考にしてみてください。

カメラの中には多い物で20枚以上のレンズを組み合わせて作られている物もあります。撮像素子に像を作るために光の通り道であるレンズ。レンズは複数枚のレンズを使うことで光のズレを抑え綺麗な像を届けることができピンボケが少ない写真を保存することができます。

撮像素子はレンズがとらえた光を電気信号に変換しデジタルカメラ内部の機械が読み取れるように変換する部品です。この撮像素子が無かったらデータとして保存することができません。機械の場合人間と違い情報を数字または文字に変換しないと処理できないからです。

この撮像素子で変換した光の電気信号は、画像処理エンジンに送信されます。

撮像素子から送られてきたデータをjpegもしくはRAWに変換します。ここで画像の仕上がりが大きく左右されることもあるので、各メーカーが力を入れている部品で独自の技術が組み込まれています。

撮影したまたは撮影前の画像にセピアやモノクロを付け加える効果や明るさやホワイトバランスを整えます。rawなどの大容量データを処理する為に集積回路が装備されているのでデジタルカメラの小さなコンピュータと言われています。

デジタルカメラは撮像素子がレンズを通ってきた光を受け取り、光の情報を機械が処理できるように電気信号に変換しています。この変換する時に使われている基本的な原理は光電効果です。光電効果は相対性理論で有名なアインシュタインが論文で説明しノーベル賞を受賞した原理でもあります。

光電効果とは物質に光が当たると電子が放出されたり電流が流れたりする現象です。そしてデジタルカメラでは撮像素子にあたるCCDセンサやCMOSセンサがこの光電効果を応用して画像処理を行いデータ化しています。

つまり、光電効果は私たちがデジタルカメラを通して撮影しデータ化した画像を見る為の要になっている物理的原理なのです。

光には屈折する物理的原理があります。なので、レンズの性質を使って光を撮像素子に集めています。それは、レンズが光を屈折させる性質です。だから、カメラ内部にある小さな撮像素子に的確に光を届けることができるのです。

また、多くのデジタルカメラでは凸レンズを採用しています。もしくは、レンズを複数枚使うい凸レンズと同じ機能を持たせています。それは、凸レンズには端の薄い部分は光を大きく屈折させ、分厚い中心部分はあまり屈折させない性質があるからです。

撮像素子に届ける光の量は大切です。なぜなら、光の量が多すぎると情報処理できないほどの反応が起こり、少ないと電気信号に変換することができず被写体の情報を発信できないからです。

そこで、カメラを構えている時の被写体の光の量は照明などを使わない限り常に一定であることに注目し、ちょうどいい光の量を撮像素子に届ける為にシャッターとしぼりを使っているのです。

シャッターは開閉のスピードによって露出時間を調節することができます。なので、閉まる速度が遅いほど多くの光を届けることができ、速いければ少なくすることができます。

しぼりはレンズの面積を調節することによって光の量を調節しています。開いた状態だと光が多く、閉じていくと少なくなります。

リンゴが赤く見えるのは、赤く見える光の波長をリンゴが反射しているからです。カメラはレンズを通して被写体が反射している光を捕えます。その捕えた光を機械が判別できるようにしている部品は撮像素子になります。

撮像素子にはCCDとCMOSがあります。これからこの2種類がどのように色を判別しているのかについて順番に説明します。

CCDは3つの部品マイクロレンズ・カラーフィルター・フォトダイオードが組み合わさってできています。この中のカラーフィルターが色を作りだす働きをしています。

カラーフィルターでレンズから届いた光をR(赤)・G(緑)・B(青)またはC(シアン)・M(マゼンタ)・Y(イエロー)に細かく分解し、分解された光が電気信号に変換するフォトダイオードに届きます。

この時カラーフィルターにはR(赤)・G(緑)・G(緑)・B(青)と緑を増やしたベイヤー配列が使われています。緑を増やしているのは人間が物質の色を識別している時、緑に対する反応が高いため採用されています。

CMOSセンサはそれぞれの画素がひとつのフォトダイオードとCMOSトランジスタを使ったスイッチ構成になっていて、1画素ごとに電気信号に変換します。なので、カラーフィルター無しで色の情報を読み出すことができ、CCDセンサより速く画像処理エンジンに情報を送信する高速転送が実現しました。

カメラを構えた時に腕を制止することができる人はほとんどいないと思います。そんな時に嬉しい機能がブレを軽減してくれる手ぶれ補正機能。被写体をズームしているときなどに活躍してくれますね。

手ぶれ補正機能は大きく分けて光学式手ぶれ補正・電子式手ぶれ補正・センサーシフト補正の3つがあります。

光学式手ぶれ補正とセンサーシフト補正は光が屈折する原理とレンズの性質を応用した仕組みになっています。しかし、電子式手ぶれ補正は座標軸・回転角度といった原理を使っています。これから順番に仕組みをご紹介します。

撮像素子に届く光の位置が所定の場所に行くようにする方式。それが光学式手ぶれ補正になります。仕組みとしては、センサーが手ぶれを感知し内蔵されたレンズを動かすことでブレを軽減する方式になっています。データ化する前に補正するので他の方法と比べて画質が綺麗になります。

撮影したデータをカメラ内部でピントが合っているように加工する方式。それが電子式手ぶれ補正になります。ピントが合っているか確かめるためにシャッターを押した時に一瞬で何枚か撮影します。そして、その写真を比べる事でピントが合っているかを照合するのです。

光学式手ぶれ補正と同じように映像素子に届く光の位置が所定の場所に行くようにする方式。それが、センサーシフト補正になります。

しかし、ブレを軽減する為にレンズを動かす光学式手ぶれ補正と違いセンサーシフト補正はレンズは動かさず、光を受け取るベストな位置にセンサーを動かします。

ミラーレスカメラやコンパクトデジタルカメラに使われることが多い機能です。レンズが自動で前後に動いて被写体のピントを合わせます。コントラストAFでは三角測量の原理がもとになっています。

三角測量とは基線の両端にある２つの点から測定ポイントへの角度を測り、測定ポイントまでの距離をだすことができる方式です。デジタルカメラでは、測定ポイントが被写体２つの点をそれぞれファインダーと内蔵されている小型のレンズにし計算しています。

マクロモードは、コントラスト検出方式を使ってピントを合わせています。この方式はデジタルカメラがレンズを自動で前後に動かしてピントが1番合う位置を探す方法になります。なので、カメラによってはレンズの動作音が聞こえることがあるようです。