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2014年4月15日 (火)

・次世代のカメラ、ライトフィールドカメラ

現在いろいろな場所で開発研究されているカメラに
ライトフィールドカメラといわれるものがあります。
「後からピントカメラ」ともいう。
現在のカメラでは撮影するときに
どこにピントを合わせるか決めますが、
ライトフィールドカメラでは
後でピント位置を決めることが可能です。

仕組みはちょっと複雑。
ピント位置をずらして何枚も撮影すれば
手軽にできますが、
ライトフィールドカメラは一度の撮影でそれが可能です。
一応製品化されているものがあります。

作例

普通のカメラはレンズによって撮像素子に映し出された
像を記録しますが
ライトフィールドカメラは光線を記録します。
ライトフィールドとは光線空間のことです。
何やら意味が分からないと思います。

下の図は赤の矢印にピントが合っていて
青の矢印にはピントが合っていない状態を表します。
Lightfeald_4_2

赤の矢印による光線は像面で一点に結ばれていますが
青の矢印による光線は収束していないので
その分、像がぼやけてしまいます。
この図で表したのが今までのカメラです。
ライトフィールドカメラは像を記録しません。
上の図で言う、赤い線や青い線が入ってくる向きを記録します。
どうやって記録するんだ?
というとマイクロレンズアレイを用います。
下の図は普通のカメラのセンサを拡大した時の略図です。

Lightfeald_6

一つの画素に一つのマイクロレンズが付いています。
マイクロレンズは光を効率的に集める為についています。
下の図がライトフィールドカメラのセンサです。

Lightfeald_5

一つのマイクロレンズに画素がたくさん含まれています。
最初の光線の図をライトフィールドカメラで表すと
下の図の様になります。

Lightfeald_3

マイクロレンズの右側に更に細かい画素が並んでいます。
素子の部分を拡大してみます

Lightfeald_2

赤に塗った画素が、赤矢印の光線が入る画素です。
青に塗った画素が、青矢印の光線が入る画素です。

上の図で赤に塗った画素を一つの画素として見る(まとめて平均化)すれば
赤の矢印にピントがあった画像が得られます。

青に塗った画素を一つの画素として見ると
青の矢印にピントがあった画像が得られます。
青に塗った画素はそれぞれ離れた位置にあるので
青矢印にピントを合わせるには膨大な計算量が必要です。
下の図のように青矢印による仮想ピント位置を求めるのと等価です。

Lightfeald_1

実用化されている機種で一番近いのが
キヤノンのEOS70DのデュアルピクセルCMOSです。
デュアルピクセルCMOSは一つのマイクロレンズに二つの画素が入っていて、
位相差が分かる仕組みです(被写体のピントが分かる)
これを発展させたのがライトフィールドカメラです。

このように、ひとつのマイクロレンズで一画素相当にしかならないため、
センサの画素数にくらべ作成される画像の画素数はとても少なくなります。
プロセッサの計算能力が上がり、
計算が早くなったり、画素数が増えれば
実用製品として世に出てくると思います。

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コメント

素人の憶測ですが、
位相差とコントラストの両方のAF原理を足して2で割ったようなかんじですね。
(画素をシフトさせて?)画像を作ってしまう、、のですか?

α7Sでしたか、超高感度もでましたね。
静止画なら複数のブラケティング画像の演算でも可能なのでしょうが、
動画を可能にしたところがユニークですが、
何となく、ソニーのお家事情も感じます。

位相差やコントラストAFとは
また違った視点からの考え方のカメラです。
構造自体は70DのデュアルピクセルCMOSに近いですが…。

位相差、コントラストともに像からAFしているのに対し、
ライトフィールドカメラはあくまで光線という概念です。
一つのマイクロレンズに画素が二次元に並んでいるので
センサ面(x,y)とマイクロレンズに入射する光線の方向(x,y)の
合計4次元の情報を記録するというイメージ。
光線の入射方向が分かるのでそこから逆算していくと
どの位置にピントを合わせることも計算で可能になります。
マイクロレンズのどの位置の画素を使えばいいのか計算して画像を作ります。

α7sのISO40万はすごいですよね。
動画で60fpsだと最長シャッター速度が1/60秒になってしまいますが、それでも真っ暗の中で撮影出来ている。

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