カメラセンサーサイズのガイド

CMOSセンサーのサイズは、カメラの性能にどのような影響を与えるのでしょうか？

デジタルカメラのセンサーフォーマットサイズは、その基本的な性能特性を決定づけます。低照度下での感度、ダイナミックレンジ、物理的なサイズ、コスト、およびレンズの要件は、すべてセンサーフォーマットサイズと関連しています。それぞれの用途やカメラ開発プロジェクトにおいて、これらの要素のバランスを考慮する必要があります。

画素構造が同じであれば、画素が大きければ大きいほどより多くの光を集めることができるため、低照度下での性能が向上します。しかし、センサーが大きくなると、より大きなレンズが必要になるか、あるいは非線形主光線角が大きい、根本的に異なる光学レイアウトが必要となります。M12レンズは最大で約1/1.6インチフォーマットまでのセンサーに対応していますが、Cマウントレンズはグローバル画素構造を持つ、より大きなフォーマットのセンサーに対応しています。

なぜデジタルカメラのセンサーフォーマットの種類はこれほど分かりにくいのでしょうか？

このフォーマットタイプの分類体系は、CCDやCMOSセンサーが登場する以前に製造されていたビデオカメラ用管に由来しています。これらのヴィディコン管では、管や電極を固定する機械的構造物のため、有効陰極領域の外側に不透明な領域が存在していました。

撮像領域は、ビディコン管の外径よりも著しく小さかった。固体CCDセンサーがビディコン管に取って代わった際、メーカー各社は、既存のレンズシステムとの互換性を維持するため、従来のフォーマット命名規則を引き継いだ。その結果、現代のセンサーフォーマットの名称は、センサーの実際の寸法ではなく、同じイメージサークルを生み出すビディコン管の相当直径を表すものとなっている。

フォーマットタイプと実際のセンサーサイズの間には、どのような数学的な関係があるのでしょうか？

私たちは、イメージセンサーのフォーマットタイプをより正確に定義する「現代的な」計算式を導き出すべく最善を尽くしました。1" = 16.0mm、1/2" = 8.0mm、1/3" = 6.0mm、1/4" = 4.5mmという、一般的に認められているデータポイントを用い、これに基づいて適切な計算式を導き出し、その後、可能な限り多くの他の記事と照合を行いました。 残念ながら、デジタルイメージセンサーのタイプを表すこの式には、1/2"イメージセンサーと1/2.3"イメージセンサーのフォーマットサイズの間で不連続性が生じています。

センサーフォーマット一覧表

以下の表は、一般的なCMOSセンサーのフォーマットとそのおおよその寸法を示したものです。ほとんどのセンサーは、これらの値にほぼ準じています。

センサーフォーマットに合わせてレンズを選ぶにはどうすればいいですか？

歪みを許容できる場合や、フィッシュアイレンズを使用する場合を除き、レンズのイメージサークルはセンサーの対角線長以上でなければなりません。1/2インチフォーマット対応のレンズは、対角線長が最大8mmまでのセンサーをカバーします。より大きなセンサーでこのレンズを使用すると、ヴィネット（四隅の暗さ）が発生します。より小さなセンサーでこのレンズを使用しても、光学性能は無駄になりますが、画質の低下は生じません。

最大1/1.8インチフォーマット（対角8.9mm）のセンサーを搭載した組み込みビジョン用途において、M12マウントレンズはコンパクトでコストパフォーマンスに優れたソリューションを提供します。より大型のセンサーや、優れた光学性能が求められる用途には、絞りや焦点距離を調整可能なCマウントレンズが、産業用グレードの品質を提供します。

自分の用途にはどのセンサーフォーマットを選べばよいでしょうか？

センサー形式の選択は、解像度の要件、感光性のニーズ、設置スペースの制約、および予算によって決まります。以下の指針を参考にしてください。

• 移動型ロボット（1/4インチ～1/1.7インチ）：コンパクトなセンサーは、ロボット用途向けの軽量なM12レンズとの相性が良い。ナビゲーションには、広い視野角を優先する。
• 自動車用ビジョン（1/2.8インチ～1/1.7インチ）：コンパクトな筐体と低照度性能のバランスを実現。自動車用M12レンズは、堅牢な設計を採用しています。
• マシンビジョン（1/1.7インチ～1インチ）：フォーマットが大きくなるほど、より高い解像度とグローバルシャッター機能が可能になります。2/3インチおよび1インチフォーマットのグローバルシャッターセンサーは、Cマウントレンズと組み合わせて、高精度な用途に活用できます。
• 監視用（1/3インチ～1/2インチ）：実績のあるレンズの入手性が確保された、コストパフォーマンスに優れたフォーマットです。監視用レンズは、昼夜を問わず最適な性能を発揮するように設計されています。

露光は、F値、ゲイン、モーションブラーとどのように相互作用するのでしょうか？

センサーフォーマットは、光を取り込むことができる物理的な面積を決定しますが、特定のフレーム内の各ピクセルに実際に届く光の量は、絞り値、露光（積分）時間、およびセンサーゲインの組み合わせである「露光」によって決まります。 像面照度は 1/(f/#)² に比例するため、F値が1段上がるごとに（例えばF/2.8からF/4へ）、センサーに到達する光量はおよそ半分になります。詳細な導出については、F値ガイドをご覧ください。

露光時間を長くすることは、絞り値の縮小によって失われた光量を補う一つの方法ですが、その一方で、撮影中に被写体やカメラが動いた際に生じるブレも長引くことになります。一般的なコンベアの速度である200～500mm/sの場合、露光時間を1ms延長すると、被写体に約0.2～0.5mmのモーションブラーが生じます。当社の「モーションブラーガイド」および「カメラ露光ガイド」では、このトレードオフがビジョンシステムの検出精度にどのような影響を与えるかについて解説しています。

センサーのゲインを上げるのが3つ目の調整手段です。ゲインは、光子をさらに収集することなく各画素のアナログ信号とそれに伴うノイズを増幅するため、輝度は回復しますが、利用可能なダイナミックレンジが狭まり、画像ノイズが増加します。 フルウェル容量は画素面積に比例するため（1平方マイクロメートルあたり1000～2000電子程度）、同じ解像度であればフォーマットが大きいほど画素も大きくなり、一般的に、ゲインに起因するノイズが制限要因となる前に、より多くの信号ヘッドルームを確保できます。これが、フォーマットの選択が単に画角の決定ではなく、システムレベルでのトレードオフとなるもう一つの理由です。

よくある質問

なぜ1/2.8インチのセンサーは、1/2.8インチの大きさではないのでしょうか？

「インチ」という表記は、1950年代のヴィディコン式テレビカメラ管に由来しています。この規格名は、有効撮像領域ではなく、ガラス管の外径を指すものでした。機械的な取り付け構造の都合上、有効な陰極領域は管の直径の約3分の2に過ぎませんでした。

固体センサーが真空管に取って代わった際、メーカー各社は既存のレンズシステムとの下位互換性を確保するため、従来の名称体系を引き継ぎました。「1/2.8インチ」のセンサーの対角線長はおよそ6.4mmであり、0.357インチ（9.07mm）とは程遠い値です。

センサーフォーマットから画角をどのように計算すればよいですか？

視野角の計算には、フォーマットタイプを直接使用しないでください。フォーマットの指定はあくまで近似値であり、メーカーによって異なります。代わりに、データシートに記載されている実際のセンサー寸法を使用してください。

画角 = 2 × arctan(センサーの寸法 / (2 × 焦点距離))。正確な結果を得るには、実際のセンサーの幅または高さ（単位：ミリメートル）を当社の「画角計算ツール」に入力してください。

より小さいセンサーフォーマット用のレンズを使用すると、どうなるのでしょうか？

レンズのイメージサークルはセンサー全体をカバーできないため、ヴィネット（四隅の暗さ）が発生します。その程度はフォーマットの不一致によって異なります。1/2インチセンサーに1/3インチのレンズを装着すると、四隅の暗さが顕著になる場合があります。また、2/3インチセンサーに1/2インチのレンズを装着すると、深刻なヴィネットが発生します。

必ず、お使いのセンサーフォーマットに対応している、あるいはそれ以上のフォーマットに対応したレンズを選んでください。1/3インチのセンサーでも、2/3インチのレンズを問題なく使用できます。その場合は、レンズのイメージサークルの中央部分のみを使用すればよいのです。

用途に応じて必要な焦点距離をどのように計算すればよいですか？

統治関係： 焦点距離 = (作動距離 × センサー幅) / 被写体幅.

例：幅2メートルの被写体を、3メートルの距離から1/2.8インチセンサー（幅5.1mm）で撮影する場合、必要な焦点距離は3000mm × 5.1mm / 2000mm = 7.65mmとなるため、7.5mmまたは8mmのレンズが必要です。正確な計算には、当社のEFL計算ツールをご利用ください。

F値は露出やモーションブラーにどのような影響を与えるのでしょうか？

F値は、単位時間あたりにセンサーに届く光の量を決定します。像面照度は1/(f/#)²に比例するため、絞り値が大きい（F値が小さい）ほど、より短い時間で同じ露出レベルに達します。

露光時間を短くすると、被写体の速度に露光時間を掛けた値にほぼ比例して生じる動きのブレが軽減されます。絞りを絞ると、露光時間を長くする（ブレが増える）、被写界を明るくする、あるいはセンサーのゲインを上げる（ノイズが増え、ダイナミックレンジが狭くなる）という選択肢の中から、いずれかを選ばざるを得なくなります。

Commonlands社は、カメラモジュール一式を組み立てることができますか？

はい。Commonlandsでは、光学設計、センサーの組み込み（ソニー、オムニビジョン、オンセミ）、レンズホルダーの選定、およびフォーカス調整やネジロックを含むモジュール全体の組み立てを含む、カメラモジュールの組み立てサービスを提供しています。

年間100台から10万台以上までの生産に対応しています。仕様については、当社のエンジニアリングチームまでお問い合わせください。