コンパクトデジカメの画素数と光学系の精度との関係

ご回答ありがとうございます。 小生も、11年前発売の1/2.3型320万画素センサーのコンパクトデジカメを使ってますが、ノイズの多さや解像力などに不満があり、同程度のレベルの機種で11年間の技術の進歩が盛り込まれた新しいものに、買い替えを検討しているところです。1200万超のセンサーでは、縦横の画素のサイズが半分以下になりますが、それに見合った解像力の向上を期待していいのか（買い替えてみて期待が裏切られたということにならないか）という懸念から、質問させていただきました。 小生と違って、写真に対する眼力の高い人は、写真のシャープ感などのクオリティーをしっかり見抜くことができるので、画素数の数字にごまかされることは、元々ないと思います。 一方、写真のクオリティーにそれほどのこだわりのない顧客に対して、デジカメを売り込むために、各メーカーは競争にしのぎを削っており、画素数の数字を判断材料にする人がある程度いるという現実がある以上、メーカーが高画素数化に走るのは、仕方のないことと思います。画素数が多くなったからと言って、それに比例して画質が良くなるわけではないとしても、悪くなるわけでもないのだから、画素数を多くすることによるコスト増が問題にならない程度なら、構わないのではないでしょうか。おそらく、1200万超の画素のセンサーも、大量生産により、400万画素程度のセンサーの製造コストと変わらなくなっているのではないかと思います。ただ、画素数の多さだけを売りにした粗悪なデジカメが高値で売買される、という現実があるなら、問題ですね。なお、1/2.3型センサーでの1600万画素以上の高画素数化の競争は、光の波長による限界を考えると、あり得ないのではないかという気がします。 現在使っている320万画素のカメラは、点像が直径3画素に広がる程度の解像力ですが、1/2.3型センサーで1600万画素のコンパクトデジカメに買い替えた場合でも、同じになるか、と言えば、今までに頂いた回答によれば、光学系の解像力が180本/mm程度ということなので、ちょっと怪しいな、という感じがしています。

ご指摘ありがとうございます。 光学系の解像力が150～200本/mm程度に対し、1600万画素の1/2.3型撮像素子の750本/mmという解像力はあまりにオーバースペックで無意味のように思いましたが、正しくはその半分だということなら、カラーフィルターとローパスフィルターの使用を前提とすれば、ぎりぎり限界内なのかな、と納得できます。約1/750mmという画素のサイズは可視光線の波長に近い（赤色光の波長の約半分）ということを考えても、これ以上画素を小さくすることは意味がなさそうですね。

ご回答ありがとうございます。 確かに、画素ピッチの0.9倍の幅の黒帯と白帯が繰り返すパターンを写した場合、画素全体に入射した光の平均をサンプリングすると、9画素を周期として濃淡が45.5%～54.5%の間で変化する灰色のモアレ縞が発生するようですね。しかし、平均化せずに画素の中央の点をサンプリングした場合には黒（0%）と白（100%）のモアレ縞になるので、平均化により明暗の振幅が11分の1に減衰していると言えます。アンチエリアスフィルタはサンプリング周波数の1/2の周波数（ナイキスト周波数）を超える周波数成分を遮断しなければならないわけですが、この例ではナイキスト周波数の2.2倍の周波数なのに、完全に遮断できていない。つまり、画素内での平均化は、アンチエリアスフィルタとしては不十分だ、ということのようですね。

ご回答ありがとうございます。 今使っている320万画素のデジカメの場合、1/2.3型撮像素子の解像度は約330本／mmなので、#1,#6の方がおっしゃっている解像度180本/mmあるいは150～200本/mmの光学系は、点の像のぼやけが２画素にまたがる程度だから、ちょうどいいのかも知れません。 しかし、最近の1600万画素になると、約750本/mmとなり、光学系の解像度が上記の程度なら、撮像素子の解像度は生かされていないということになりそうですね。本当にそういう状態なら、光学系の解像度の低さを利用してローパスフィルタを省略しているというのは、現実的な話に思えます。実際のところどうなのか、1600万画素のコンパクトデジカメを使って確かめてみたい所です（しかしそのためにはまず買わなければならないのが悩ましい）。

ご回答ありがとうございます。 そうでしたすね。以前、信号処理の関係の仕事をちょっとしたことがあるので思い出しました。 CCDでの撮像は一種のサンプリングなので、サンプリング周波数の半分以下の周波数成分をあらかじめローパスフィルターで除去しなければならない、というサンプリング定理の前提が、ここにも適用されるわけですね。 多分、３画素分くらいの直径の円内に入射する光の重み付き平均が円の中心にあるCCD画素に入射するようなフィルタで、十分なのではないでしょうか。とすれば、ベイヤー配列のカラーフィルターを用いた場合の補間演算の範囲と同じくらいなので、ローパスフィルタを加えることの、画像の先鋭度に与える影響は、あまり大きくないだろうと思います。もっとも、ベイヤ－配列の場合、三原色の各々について見れば、画素の間隔が√2倍～２倍になるので、フィルタで平均化される範囲もそれだけ広げなければならないような気もしますが。 事実、手持ちの320万画素のデジカメで夜空の星を撮ってみると、無限小であるはずの星が直径３画素くらいの大きさに広がって写ることから、大体こんなものかな、と推測しています。

回答頂き、ありがとうございました。 ベイヤ配列とは何か、調べてみましたが、要するに、三原色の各々の解像度は、縦横それぞれ公称の解像度の√2分の１ないし２分の１しかなく、ある画素の色は、その画素自身および周囲の画素の出力に基づいて、補間計算によって決められるのですね。 どんなに注意深くピントを合わせても、どんなに高精度の記録方式（RAWモードすなわちTIFF形式での記録）を選択しても、画素がはっきり見分けられるほどに拡大して見ると、どうしても画像のエッジに今ひとつシャープさが足りず、CCDの解像度が十分に生かされてないような気がするので、ひょっとしたら光学系の精度が悪いために像自体がぼやけているのではないかと疑って、この質問を投稿したのですが、画素間で補間計算がされているとなれば、その分シャープさが失われることも、納得できます。 つまり、CCDの上に結ばれた像自体は、CCDの解像度に対して十分な（あるいはちょうど見合うだけの）シャープさを持っている（ぼやけてはいない）のかも知れないですね。

ご回答ありがとうございます。 やはり、安かろう悪かろう、ということなんですね。

ご回答頂き、ありがとうございました。 プロの世界では、今の高画素数の撮像素子の解像度に対して十分な精度を持つ光学系の技術が、昔からあったということですね。