ＣＣＤに関するセミナー

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１． 空間サンプリング
ＣＣＤで撮像するということは、2次元空間において、離散系のサンプリングをおこなうことである。これはデジタル信号処理における、ナイキストの定理を応用できることを意味する。フーリエ変換を⇔で表すと、
　　f(x) ⇔ Ｆ(ω)、　g(x) ⇔ Ｇ(ω) としたとき、
　　{ f(x) ※ f(x) ｝⇔ { F(ω) x G(ω) }、　ここで※はコンボルーション。

1.1カメラシステム

1.2 折返し歪
空間サンプリング周期の1／2で決定されるナイキスト限界以上の周波数成分を持つ信号は、低周波成分に折り返され、モアレやエッジの偽信号となる。これを防ぐためには、電子回路の信号処理と同様に、ＡＤ変換器の前にＬＰＦを入れて折返し歪を軽減するのと同様に、光学的なＬＰＦを入れることで軽減する。

1.3 光学ローパスフィルタ

水晶板に入射された光は常光と異常光に分かれる。光の干渉により、以下のような空間周波数応答を持つ。これを利用して、光学的なＬＰＦとして利用する。

1.4 正方配列とハニカム配列
画素配列を一ラインごとに位相を１８０度変えることにより、空間周波数帯域の垂直・水平方向の帯域を広くできる。一般的な被写体（特に人造物）は水平・垂直方向に高い周波数成分を含んでいることが多く、これにより再構築された画像がより自然となる。

1.5 ベイヤ配列
単板式のカラーカメラには色々な方式があるが、原色系の代表的なフィルタ配列がベイヤ配列である。下図のように、色信号単色の解像度を考えると、グリーンをモザイク状にとっても斜め方向の解像度は減少する。

テキストボックス: ＣＣＤ

上記のように、輝度信号の高周波成分を、Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１で構成することにより、無彩色な被写体に対して、白黒センサと同等のナイキスト限界を持たせることができ、被写体の白黒エッジに発生する色偽信号をなくすことができる。

２． 感度とノイズ

2.1応答度とノイズ

従来の感度という表現は、光に対する出力信号量とノイズの両方を考慮した、漠然とした出力量の表現である。ノイズの概念を考慮しない、純粋に出力信号量を応答度と定義する。

　　　応答度＝応答度要因１ｘ応答度要因２

　　　　　　＝（エレクトロン数／光量）ｘ電圧／エレクトロン数）

ノイズは rms で表記するのが一般的である。ノイズ要素としては：光ショットノイズ、暗電流、リセットノイズ、1／ｆノイズの４つが主体である。

2.2　ＣＣＤ内部のノイズ

リセットノイズは、フローティングディフージョンのキャパシタンスをリセットする時に発生するもので、温度とキャパシタの容量に比例するものでｋＴＣノイズとも呼ばれる。１／ｆノイズはＦＥＴトランジスタが発生する、低周波ノイズである。この二つのノイズはＣＤＳ回路によりかなり低減できるものとされている。暗電流は半導体内部で発生する熱電子で、これがフォトダイオードやＣＣＤに蓄積されるものである。温度に強い依存性があり（７～9℃の温度上昇で２倍になる）、これのノイズを減らすために、ＣＣＤを冷却して使うこともある。

ノイズ量は各ノイズ成分の二乗平均（rms）で表される。

　　　ノイズ量＝ＳＱＲＴ｛（ショットノイズ）² ＋（暗電流）²

　　　　　　　　　　　　　　＋（リセットノイズ）² ＋（1／ｆノイズ）²｝

2.3　ダイナミックレンジとＳＮ比（Ｓ／Ｎ）

ダイナミックレンジは飽和信号量にい対する、ノイズの量を表すものであり、下記の式で定義される。

　　　ＤＲ＝20 log｛飽和信号量／ノイズ量（rms）｝

Ｓ／Ｎはある信号量に対する、信号量とノイズの比である。

　　　ＳＮＲ＝20 log｛現在の信号量／ノイズ量（rms））

下図に、カメラ内部における信号量とノイズの様子を模式的に示した。