デジタルカメラの仕組みとは？｜構造や原理などをわかりやすく解説

デジタルカメラは電源を入れてシャッターを切るだけで写真が撮れる、非常に便利なアイテムです。とても身近な存在であるデジタルカメラですが、どういった原理で写真を撮っているか知っているようで知らない方は多いです。

デジタルカメラの仕組みは難しいようで、意外とシンプルです。実は、デジタルカメラの構造は人間の目とそっくりで、共通点がとても多いのです。そこで今回はデジタルカメラが写真を撮る仕組みや、人体との共通点を分かりやすく解説いたします。

また、デジタルカメラにありがちな勘違い・間違いも、仕組みが分かると簡単に解消できます。今回は知ると思わず人に話したくなる豆知識をたっぷり紹介します。是非最後までご覧ください。

カメラの種類には、デジタルカメラとフィルムカメラの大きく2種類があります。デジタルカメラとフィルムカメラの原理は、ほとんど共通していますが唯一違う点があります。それは「写真をどんな形で記録するか」です。

フィルムカメラには名前の通りフィルムが入っており、レンズから入った映像をフィルムに焼き付けて写真を撮ります。つまりフィルムカメラは、写真をフィルムの形で記録するカメラということです。

一方デジタルカメラにはフィルムがなく、代わりに光を感知するセンサーが備わっています。このセンサーが光をデジタル信号に変換することで、映像を記録データに変えています。デジタルカメラとフィルムカメラは原理的にほとんど同じですが、記録する形がデジタルかフィルムなのかが違います。

人間の目は、角膜によって守られている水晶体という凸レンズが光を屈折させて取り込み、網膜へと映像を映し出します。人の目にとっての水晶体にあたる部分が、デジタルカメラにとってはレンズにあたります。

夜行性の動物には大きな目が備わっていますが、これは月夜などの光が少ないときもなるべく多く光を取り込める点で有利です。これと同じことがカメラにも当てはまります。カメラもレンズが大きいほど、光を多く取り込めるため夜景や花火などの撮影で有利になります。

スマホカメラに比べてコンパクトカメラの方が夜景に強く、それよりさらに一眼レフの方が夜景に強いと言われるのはそのためです。スマホはどうしても超小型レンズしか搭載できないですが、一眼レフなどのデジタルカメラは大型のレンズが使えるため暗いシーンでもちゃんと撮影ができます。

人の目は水晶体によって屈折された光が網膜に像を結び、光の色や強さを感知します。この網膜にあたる部分が、デジタルカメラの撮像素子(イメージセンサ)です。デジタルカメラの場合、レンズによって屈折した光がイメージセンサ上に像を結び、センサーが光の色や強さを感知してデジタルデータに変換します。

しかし、カメラは人の目と違いシャッターが開いている間に取り込んだ光をすべて1枚の写真として記録します。そのためシャッタースピードによっては、写真が真っ白になったりブレたりしてしまいます。

動きが速いものを撮影するときは、シャッタースピードを上げるのがおすすめです。すると光を取り込む時間が短くなり、カメラは「瞬間」を写真に切り取ることができます。一方、あまりシャッタースピードを上げすぎると、写真が暗くなる点に注意しましょう。

人間は目で見たありのままの様子を見ているようで、実はそうではありません。たとえば「∵」など、3つの点を人間は顔のように認識しやすいですが、これは網膜が感知した映像を脳が画像処理しているからです。

人間は頭脳によって優れた画像処理ができるため、人の顔を見分けたり、表情から相手の感情を読み取ったりと高度な情報を認識できます。人間の頭脳にあたる部分が、デジタルカメラにとっては画像処理エンジンにあたります。

デジタルカメラは画像処理エンジンによって撮影データをそのまま残すのではなく、画像処理を施してよりきれいな写真にします。たとえばフラッシュ撮影で起こりやすい赤目現象を検知して目の色をナチュラルなものに補正したり、人の顔を自動で認識して明るさ補正したりできます。

人間の目は水晶体というレンズを支える「毛様体」の中にある筋肉が伸び縮みすることで、水晶体の形を調整し、屈折率を変えて目の焦点を合わせます。目の焦点が合わないと網膜に映る像がぼやけるため、文字が読みにくくなったりモノの輪郭があいまいになったりします。

人がモノをはっきり見るためには目の焦点が合わないといけないように、デジタルカメラはピントが合わないとはっきりとした写真を撮ることができません。ただし、カメラの場合はレンズを伸縮できないので、レンズの位置を前後に動かすことでピントを調整しています。

それでは、人間の目の仕組みとデジタルカメラの仕組みをおさらいしてみましょう。人間が目でモノを見る仕組みは、眼球(水晶体)から入った光が網膜に映し出され、網膜が光を感知し、その情報が脳に伝えられることで世界を見ています。

デジタルカメラの場合、レンズから入った光がイメージセンサに映し出され、センサーが光を検知してデジタルデータに変換し、そのデータが画像処理エンジンで処理されることで、写真を撮影しています。下にわかりやすく表でまとめてみましたが、このように人間の目とデジタルカメラは、構造がとてもよく似ています。

「高感度イメージセンサ搭載デジカメ」と言われると、なんだかすごく難しいことのように聞こえますよね。しかし、デジタルカメラにとっての「イメージセンサ」は人間にとっての「網膜」だと分かっていれば、とても簡単に理解できます。

イメージセンサは、人間の網膜と同じく、光を検知する役割を担っています。このイメージセンサが「高感度」ということは、少ない光でもしっかり検知できるということです。つまり「高感度イメージセンサ」とは、人間でたとえれば「少ない光ではっきり見える網膜」を持っていることです。

デジタルカメラの広告やCMでは「進化した画像処理エンジンを搭載」ということが頻繁に語られます。これも一見とても難しい話に感じますが、デジタルカメラにとっての「画像処理エンジン」は人間にとっての「頭脳」と考えましょう。

画像処理エンジンは人間の「頭脳」にあたるわけですから、ここが進化・改善されたということは、デジタルカメラはさらに賢く映像を認識して画像処理できるようになったというわけです。

たとえば「おまかせモード」で撮影したとき、より賢く撮影シーンを認識して最適な画像処理を行います。画像処理エンジンの進化とは、デジカメがさらに賢くなりもっときれいな写真を残せるようになったことを意味します。

デジタルカメラにとっての「ピント」が人間の目にとっての「焦点」だと押さえておけば「高速オートフォーカス」が何故嬉しいポイントなのかも分かります。

デジタルカメラのピントを自動で調節してくれる機能・オートフォーカス。便利ですが、オートフォーカスのピントが合ってからシャッターを切るため、場合によっては撮影ボタンを押してしばらく待たないとシャッターが切られません。

一方、高速オートフォーカスが強みのデジタルカメラとは、見た瞬間すぐ焦点が合うものです。高速オートフォーカスのデジタルカメラは、シャッターチャンスを逃さないのが嬉しいポイントなのです。

「高解像度6100万画素！」と言われると、なんだか物凄く高画質なデジタルカメラなのではないかと錯覚してしまいそうになります。しかし、「解像度」「画素数」というのは、写真データの「マス目の細かさ」です。

たとえば暗い所では、細かいところまで見えるだけでは意味がありません。少ない光ではっきり見える優れた網膜＝イメージセンサがないと何も見ることはできません。また、せっかく細かいところまではっきり見えても、頭脳＝画像処理エンジンが良くないと撮影したものの美しさをきちんと画像処理して残せません。

iso感度を高めるとイメージセンサの信号が増幅されるため、光の少ない夜景などのシーンでもはっきりと写真を撮影することができます。一見すると、高iso感度に対応しているデジタルカメラは、それだけ夜景に強いように見えます。

しかし、イメージセンサの信号を増幅するとそれだけノイズも増幅されるため、iso感度を高めすぎると写真のざらつきが目立つようになります。本当に夜景に強いデジタルカメラというのは大きなレンズと大きなイメージセンサを持ち、優れた画像処理エンジンを搭載しているものだということが分かります。

デジカメの仕組みが分かると、本当に優れたデジカメはどれなのかが分かりますし、優れたデジカメを自分で簡単に使いこなせるようになります。デジカメの仕組みが分かった今なら、もうデジカメは自分の目になったも同然です。前よりもっとデジカメを使いこなして、写真をさらに楽しみましょう。