クアッドピクセルAFとクアッドピクセルセンサーの違い
最近、クアッドピクセルAF、クアッドピクセルセンサー、クアッドベイヤーセンサーという言葉をよく聞きます。それぞれどのような違いがあるのでしょうか？
基本的なポイントは、赤、緑、青のフィルターが一つのピクセルではなく4つのピクセルを覆うベイヤーカラーフィルター配列を使用することだ。これは、下の図で示されており、通常のベイヤー配列とクアッドベイヤーを比較している。この段階で、いくつかの用語を明確にしておく必要がある。多くのメーカはピクセルをフォトダイオードと名付けているが、一つのカラーフィルターの下の4つのピクセルは、それぞれ完全に機能し、他のピクセルから独立して読み出すことができる。実際にそうでなければ、このデザインにはあまり意味がない。従って、一見すると、クアッドベイヤー配列の唯一の効果は、センサーの解像度を4分の1にすることであるように見える。従って、OM-1の2000万画素のセンサーは実際には8000万画素である。あとで、なぜこれが良いアイデアなのか説明しよう。
クアッドベイヤーセンサーの配列は、携帯電話ではかなり一般的だ。携帯電話のレンズがセンサー上で最大1億画素までの解像度を実現するために、どのようにして十分な解像度を投影できるのか疑問に感じるかもしれない。その応えは、それは不可能であるが、しかし画素のサイズを小さくして使用することで解像度を上げることができる。携帯電話では、クアッドベイヤー配列により低照度時に4つのピクセルを組み合わせることができる。明るい光のときには、ピクセルは個別に使用され、これにより有効なピクセルの画素のサイズが減少しシャープネスが増す。
この配列を使用した最初の一般向けのカメラは、低画素数で動画専用のパナソニックのLUMIX GH5Sと、ソニーのα7S IIIだ。これらのカメラには上記の機能は搭載されていないが、それではクアッドベイヤー配列の利点は何だろうか？これらのカメラは図2に示す配列を使用しており、それぞれ個別のピクセル上に別々のマイクロレンズがある。これによりマイクロレンズが光を各画素の有効領域に収集させる効果が維持できる。しかし、この設計では大きなピクセルとして使用することに比べて何も得るものはなく、この設計が利用される本当の理由は生産経済性にある。低画素のセンサーは非常に専門的な製品であり、もし他の製品の亜種とすることができれば、製造コストを削減することができる。例えば、ソニーでは1200万画素センサーは4800万画素センサーを派生して作ることができ、ソニーセミコンダクターが、この画素数前後のフルサイズセンサーを生産していることは驚くことはない。
上記はクアッドベイヤー配列のメリットは何か？という記事からの引用です。詳しい画像などもありますので、全文は記事元リンクからご覧ください。
イメージセンサーにある画素は光の強さしか判断することができず、イメージ的にはモノクロ写真の世界です。そのため、どの色の成分がどの程度の明るさなのか判断するために、センサーの上にカラーフィルターを設定しています。例えば赤のフィルターは赤の色の光だけを通過させることになるため、赤色の光の強さを計測することができます。これをカメラ向けに満遍なく並べたものをベイヤー配列といいます。
それでは、クアッドベイヤー配列とは、どのようなカラーフィルターの配列になっているのでしょうか？クアッドベイヤー配列と、通常のベイヤー配列の違いをみてみます。
左：通常のベイヤー配列 右：クアッドベイヤー配列
左側が通常のセンサーでよく利用されているベイヤー配列です。ピクセルの数だけみると緑色が多いのですが、これは人間の目が緑色を認識しやすいように出来ているため、緑の画素が多いのが、この配列のポイントです。一方で、右側はクアッドベイヤー配列です。それぞれの色がまとまっているだけに見えますが、よくみると、それぞれの色の数は同じですし、左側の通常のベイヤー配列の左下を(x,y)=(0,0)として、(0,0)から(2,2)までをみると色の配列パターンが同じであることがわかります。つまり、左側のベイヤー配列の1画素を4つに分割すると右側のクアッドベイヤー配列になるわけです。
どうしてこのような配列にするかというと右側のクアッドベイヤー配列の場合は、4つの画素をみかけ上、1画素として利用できるため、センサーの画素数を事実上、4分の1にすることが可能になります。例えば、4000万画素のセンサーであれば、縦横2画素＝合計4画素を1画素として見なすことができるため、1000万画素のセンサーとして利用することが可能です。
画素数が少ないセンサーは特殊な用途に限られるため、1000万画素センサーとして開発したり製造したりすると、生産数が見込めずコスト的に厳しくなります。一方で、4000万画素をクアッドベイヤー配列として擬似的に1000万画素として利用すれば、そのセンサーは4000万画素としても1000万画素としても利用できるので、経済的合理性が高まります。
そのため上記の図のようなクアッドベイヤー配列が利用されています。そして、その配列を利用したセンサーをクアッドピクセルセンサーとして表記される場合もあります。
クアッドピクセルAF
一方で、クアッドピクセルAFは目的が異なります。今度は、ピクセルごとに設置されるマイクロレンズが関係してきます。
通常のクアッドベイヤー配列のセンサー
クアッドピクセルAFのセンサー
上記はともにクアッドベイヤー配列ですが、マイクロレンズ（それぞれ色の薄い円形の部分）のサイズが異なっていることがわかります。左側のクアッドベイヤー配列のセンサーでは、それぞれ1画素ごとにマイクロレンズが配置されていることがわかります。しかし右側のクアッドピクセルAFのセンサーでは、それぞれの色の上、縦横2画素＝合計4画素の上に大きなマイクロレンズが一つだけ配置されています。
右側のクアッドピクセルAFの場合には、複数の画素に一つのマイクロレンズを配置することで、詳しい説明は省きますが、それぞれフォーカスが合っていない部分の像がズレて表示されるため、フォーカスが合っているか合っていないのか、合っていない場合にはどの程度合っていないのかを判断することができ、これをオートフォーカスのピントを合わせる仕組みに活用することが可能です。この仕組みを利用しているのがクアッドピクセルAFです。
キヤノンがいま販売しているデュアルピクセルCMOS AFは、縦または横のどちらかに画素を2分割していて、これをオートフォーカスに活用しているので、デュアル（2個）ピクセルAFと呼ばれています。正方形を画素を2分割しているため、二つの長方形が組み合わされた形になります。
そして右側のクアッドピクセルAFのセンサーの場合、一つのマイクロレンズに縦横の画素があるため、いわゆるクロス測距が可能になり、ストライプ柄の被写体でもオートフォーカスが正確に行われるなどのメリットがあり、そのようなセンサーの登場が期待されています。
というわけで、知ったかぶりで記述してみましたが間違っている部分がありましたら指摘していただけると助かります。
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コメント
コメント一覧 （1件）
クアッドピクセルセンサーは原理上縦横ＡＦは出来ませんけどね。
キヤノンのDPCMOSはPNP結合とNPN結合を組み合わせたような構造で
成り立たせているわけでＡＦを縦横で実現しようとすればDPCMSの
クロス配置が現状では妥当のように思われます。
クアッドピクセルセンサーを採用したOM-１のＡＦが並の性能であるのもそのためです。
クアッドピクセルの各センサーから別々のキャリアで出力できるようになれば
縦横ＡＦは可能かも知れませんがそのような原理のCMOSは今の所出来ないと
思われます。
可能であれば近隣のCMOS４個をデュアルスキャンしたほうが良さそうです。
※上記は素人の考えですので間違えている可能性もあります、悪しからず。