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Sony 回折限界を超える技術に関する特許 [光学技術全般]

ソニーが回折の限界を超えて解像度を高める技術に関する特許を出願中です。 デジタルカメラの画素数が更に増えて画素ピッチが狭くなっても、回折現象を気にしないで絞り込むことが出来そうですね。

2011_135096_fig04a.png

特許文献、及び要約・自己解釈

  • 特許公開番号 2011-135096
    • 公開日 2011.7.7
    • 出願日 2009.1.7
  • デジタルカメラにおける最近の状況
    • デジタルカメラは画素数が著しく向上している
    • 撮像素子の画素数を向上させると感度等が悪化するが、光導波路等の技術がある為、問題無い
    • 但し回折や収差の影響を避けることは出来ない
    • デジタルカメラの解像度は、レンズの回折限界や収差で決まり、分解能に限界がある
    • 現状の技術では解像度を向上させられず、画素数を増やしても無意味
  • 回折限界とは
    • 明るい(F値が小さい)レンズの方が分解能に優れる
    • 分解能の半分の画素サイズなら、レーリー限界まで分解可能
    • 画素サイズを、分解能の半分以下の大きさにしても、解像度は高くならない
    • レンズには収差がある為、実際は回折ではなくレンズの収差が解像度の限界になっている
  • 公式
    • エアリーディスクの直径D=1.22λ/NA
    • λは光の波長、NA=n*sinθ、nは空気の屈折率、θは光の入射角
    • 分解能ω=0.61*λ/NA
    • F値=1/(2*NA)
  • ソニーの特許
    • レンズと撮像素子の間に、光学部品(高屈折率材料)を設置する
    • その高屈折率材料とは
      • 屈折率が1以上
      • 平板状と、凸曲面形状を有する
      • 凸部分は撮像素子と接触し、その接触幅は800nm以内
    • 分解能を小さくすることが可能
      • 同じ画素サイズを持つ従来製品よりも、解像度が高い
      • レンズの回折限界や収差の限界を超えられる
    • 計算式から分解能を小さくする方法
      • 屈折力が高くなるとNAが大きくなる
      • NAを大きくすれば分解能が小さくなる
      • よって高解像を得られる

回折限界

波長550nmにおける回折限界
Fno 分解能[μm]
1.00.67
1.40.94
2.01.34
2.81.88
4.02.38
5.63.76
8.05.37
11 7.38
16 10.74
22 14.76
32 21.47

要はF値を絞ると解像度が低下する現象です。 コンデジ等の小さなイメージセンサーで多画素を得ようとすると必然的に画素サイズが小さくなります。 画素サイズが小さいと、明るいレンズを使わないと像がボヤけてしまいます。 しかし明るいレンズは設計も難しいし、収差も生じ易い、更にレンズの組立も高度な精度が要求されます。

ソニーは超多画素機を出す一方で、こういった問題も認識し、その対処も検討していたんですね。 ソニーが研究中の画素サイズ0.9μmのイメージセンサーも、実用の見込みがあったので研究を続けているのでしょう。 ところで今回の特許は以前に出願されたもので、今回は複数の文献に分割されて再公開されたようです。 面白そうなものをピックアップしていたつもりでしたが、当時は気付きませんでした。

高屈折率材料

では回折の問題を回避するにはどうすればよいのか。 分解能の計算式は既にあるので、そこから導くことが出来ます。 使用する波長λは決まっているのでそのまま。 つまり屈折率nを大きくするか、入射角θ(F値)を大きくすれば分解能を小さく出来るわけです。

  • 分解能ω=0.61*λ/NA
  • 分解能ω=0.61*λ/(n*sinθ)

ソニーの特許はレンズとイメージャーの間に、屈折力の高い光学材料をはさんだというものです。 原理はニコンの液侵露光型ステッパーと同じですね(ニコンが初か分かりませんが)。 これでnの値が大きくなるので、計算式を解けば分解能が小さくなります。

欠点はレンズ交換式システムに使えないこと。 Fujifilm X100やSigma DPシリーズのような一体型、Ricoh GXRのようなレンズと撮像素子が一体になったカメラでないと適用出来ません。 但し液体レンズをうまく使えば、一般的なレンズ交換式カメラにも使えるかもしれませんね。 ソニーは今後も画素数を増やしていくことを考えているのでしょうか。

多画素機はレンズ測定器

ところで私は、レンズを1本だけ残すとしたら、Zeiss Planar FE 2/110を選びます。 昔どうしても欲しくて海外から取り寄せたんですが、今でも手放せません。 開放から恐ろしく解像し、人肌の質感まで見事に表現してくれます。 欠点は、諸収差は仕方が無いとして、ボケ味が期待出来ないことでしょうか。 画素ピッチの狭いレンズ交換式カメラが登場したら、このレンズの解像限界を追求してみたいですね。

Zeiss Planar 110mm F2 FE

Planar FE110mm f/2

66判で使うとフルサイズ換算60mm、デジタルで使うと換算70~80mm程度なのでポートレートにはベスト。 近々、知人の結婚式がありますが、主力はいつも通りプラナーFEです。


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コメント 13

こうちゃん

最近、Sonyはどんどん力をつけていますよね。
NikonもCanonもうかうかしていられませんね。
by こうちゃん (2011-07-11 10:45) 

hi-low

イメージセンサー事業がソニーグループの主幹のひとつと位置付けられているためか、センサーに関連するソニーの特許申請は挑戦的でとても面白いです。今回の公開文献では内容が記載されていませんが、代表図面からは「近接場光」の利用まで考えているようで、そこまでやるのかという感じですね。
by hi-low (2011-07-11 12:26) 

レイリー

SONYはやはり底力ありますね!
技術力はやはり凄い。
Zeissはいつか所有したいです。
先日、少しお借りして撮ってみたのですが、やはり凄い!

by レイリー (2011-07-11 13:01) 

良吉

 見たところ、レンズ本体と組み合わせて高屈折を得るようですから、専用レンズ用の逆ローパスフィルターと言ったところなんでしょうか。

 いやはや、理屈は分かっても、使うことが想像できないしろものですね。

 ライカ・ズミクロンが作った空気レンズの時代なんて大昔のことになりそう。
by 良吉 (2011-07-11 20:48) 

ナビパ

どのメーカーさんでも光学系が発展してくれることが嬉しいです。
電子部ばかりが日進月歩なもので。。。
by ナビパ (2011-07-11 22:33) 

s_take

実用化はさて置き面白いアイディアですね。
レンズ一本と言われると困りますね。
悩んだ挙句、ほとんど使ってない高倍率ズームを選んでしまいそうです。
by s_take (2011-07-11 23:03) 

ぱぱくま

技術力をソフトウェアが追い越したら
もっと魅力的な製品ができそうです。
Sony好きな自分としては頑張ってもらいたいです♪
そういえば自分ではF11位に絞ってもなかなかカッチリした
写真が撮れなくて・・・(^-^;「
by ぱぱくま (2011-07-12 00:00) 

genpati

いつもえがみさんのブログは専門的で凄いと思いながら、訪問させていただいてます。

自分も日頃カメラで写真を取る機会があるものの、画質や道具に特に意識もなく写った事を喜んでいるレベルです。

低レベル以前の話なんですが、専門知識を持っていると言う事は本当に凄い事だなと感じています。

ただ新しいものに目を光らせているだけでなく、専門的なレベルにまで到達出来れば素晴らしいだろうなあと思いつつも、なかなか先に進まない自分に気合いを入れながら読ませていただいております。

いつもコメントとくださり本当に感謝しております!

by genpati (2011-07-12 00:07) 

penny

これは素晴らしい。
一眼レフにも、何らかの策が欲しいです。
小絞りを選択しづらいのは、撮影していて楽しさが損なわれますし。

by penny (2011-07-12 21:34) 

コリンママ

プラナーFE、いいですね!!
どれか一本に?・・・・と今、しばらく考えてみましたが
決められません。
だから荷物が多くなっちゃうのです(涙)
by コリンママ (2011-07-12 23:11) 

えがみ

> こうちゃん さん
その3社が次世代の世界三大カメラメーカーになるかもしれませんね。
その為にはNEXのてこ入れをお願いしたいところですが…。


> hi-low さん
微細化していけば行き着く先は近接場光なのですね。
ナノテクノロジーが当たり前になりつつありますね。


> レイリー さん
Canonですと、CosinaのZEレンズになりますね、Zeissは。
レンズは多国籍で固めていきたいですね。


> 良吉 さん
組立や調整が物凄く大変そうです。設計出来ても製造出来るのか、という…。


> ナビパ さん
光学理論は既に完成していますが、計算式の最適化や新素材の採用によってまだまだ発展しそうですね。
それでも半導体の進歩にはかないませんが…。

> s_take さん
何となく思い立って記事を書きましたが、中望遠だと潰しがききませんから、フルサイズの35mm F1.4あたりが無難だと思います。
利便性を重視すると、やはりズーム以外には考えられないのかもしれません。


> ぱぱくま さん
F11だと絞り過ぎではないかと…(^^;


> genpati さん
殆どの方は画質なんて気にする必要ないんです。
もし写真の内容・構図以外のことを気にしだしたら、専門家への第一歩ですよ(笑


> penny さん
折角、絞り値を決められるのですから、自由に決めたいですよね。
回折の影響無しにパンフォーカスしたいです。


> コリンママ さん
でも中望遠一本で行くのは勇気が必要なので、実は他にも携帯していきます。

by えがみ (2011-07-13 21:07) 

グッドバランス

いやはや、難しすぎて、今回はゴメンナサイ(T_T)、と思っていたら、
最後にお宝が!
凄いですねぇ、プラナー。
私も使ってみたいです!
by グッドバランス (2011-07-19 21:59) 

えがみ

> グッドバランス さん
記事と無関係でないことを前提にし、非技術的な話題を取り入れる工夫をしています(笑

by えがみ (2011-07-20 01:30) 

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