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技術情報

デジタルビデオカメラについて

1.概要

カメラの歴史は古く白黒カメラで約50年前、カラーカメラでも40年前に開発されました。この間にVTRと同様、技術進歩目覚ましく現在のCCDカメラに至っております。当初のカメラは、光を電気信号に変換する真空管タイプの撮像管を使用し、アナログ回路を用いて映像信号を生成しておりました。カメラの場合は、VTRと違い回転ヘッドが有りませんので信号劣化は少なくなりますが、如何に忠実に映像を再現するかの技術競争でした。
撮像管がCCDになり、半導体技術の進歩と相まってデジタル信号処理が容易になって急速にデジタル化が進みました。

2.カメラの概念

始めに、カラーカメラの基礎概念について簡単にご説明いたします。

 

 
カメラの概念を図ー1に示します。被写体からの光信号をカメラへ入力しますと、光電変換部分で光信号から電気信号に変換されます。光電変換は撮像管や半導体素子のCCDになります。この撮像管やCCDは3つ設けられており、カラー信号のRGBに対応いたします。次に偏向回路ですが、光から変換された電気信号を、映像信号として正しく出力するために信号を順番に取り出す働きをします。取り出された電気信号は、信号処理回路でNTSCの映像信号に生成され出力されます。光から映像信号に於ける過程で画質劣化の要因は、機構部が無いので主に電気回路になりますが、撮像管タイプでは、撮像管と偏向回路、CCDタイプでは、CCDが画質劣化に大きく影響します。この他に、唯一メカ機構としてのレンズ機構があります。固定焦点のレンズはともかくズームレンズはズーミング時に画質劣化を伴う場合があります。

3.撮像管とCCDの違い

2項でカラーカメラの概念を記述しましたが、この概念をもとに撮像管とCCDの違いについてご説明いたします。VTRの場合はアナログとデジタルの違いが明確でしたが、カメラの場合は光電変換方式による違いの方が性能に大きく影響しますので、この点に着目し説明いたします。

 


始めに、図-2に示しました撮像管部の概念図に基づきその原理を説明します。一般に撮像管と呼ばれる中には用途に合わせて形状が異なる物もありますが、ガラスで覆われた筒上の形状をしております。筒の中は真空状態で、光電変換部分と電子銃が組み込まれています。
動作は、光電面に結像された画像の光量に応じ電気信号に変換され、電子銃から発射された電子ビームで電気信号を外部に出力します。この時、電子ビームを正確に光電面に当て走査しなくてはなりません。この働きを受け持つのが偏向コイルです。テレビに使われているブラウン管と同じ原理ですが、ブラウン管の場合は電気信号から光り信号へ変換されます。
CCDの場合は、撮像管と同じく光電変換を行い電気信号として出力されますが、変換方式が撮像管と異なります。
図ー3で示したように、光電変換が画像の最小面積に相当する画素に対応して光電素子が配列されています。この素子に電気が蓄えられ、外部からの制御信号で電気信号を取り出します。撮像管の場合は、電子ビームで信号を取り出していましたが、CCDの場合は電気信号を用いますので正確に信号を出力することが出来ます。一般的に云われています、何万画素のCCDという表現はこの画素数のことです。従いまして画素数が多くなればそれだけ画像はきめ細やかになるのですが、CCDの面積が同じで画素数が多くなれば、一つの画素の面積が小さくなるので光電変換率が下がり出力が低下します。すなわちカメラの感度が下がることになります。そのために、個々の画素に集光レンズ効果が得られる処理を行った素子を使い感度の低下を改善しております。この様に、撮像管が電子ビームで信号を取り出すのに対し、CCDは電気信号で行っているため画質劣化を少なくすることが出来ます。

4.CCDカメラの優位性について

前項でご説明しましたとおり、撮像管カメラとCCDカメラの基本的な概念は同じですが、では、撮像管とCCDで、何処に違いがあるかについてまとめてみます。

 

-1.光電変換方式について
撮像管の光電変換は、光電面に結像した光の強さが電気信号に変換される仕組みですが、実際には電子ビームが照射された部分の電気信号が出力されることになります。この電子ビームは連続して出力されておりますので、ビームの面積が小さいほど高解像の映像が再現できます。
また、ビームの走査スピードも常に一定でないと、画像ひずみの原因になります。これらの特性は偏向コイルの性能に依存しておりますので、画質を左右する重要な要素になります。一方、CCDの場合は、光電変換素子が画素に対応しており、各素子で変換された信号を電気回路で取り出すことが出来る為、画質劣化が少ないと云えます。特にカラーカメラでは、R.G.B別々に信号が必要ですから、映像の一点を見たときR.G.Bとも同じ画像を捕らえることが必要です。このことをレジストレーションが合っているといいます。撮像管は調整により追い込みますが、CCDは組立精度で決まりますので調整は簡略化されています。

 

-2.機能面について
CCDを使うことで、新しい機能を付加することが可能になりました。
代表的な機能として、電子シャッターがあります。この電子シャッターは光電変換部から信号を取り出す時間を変えて対応しています。効果として動きの早い被写体を写す場合、シャッタースピードを上げることでブレの少ない映像が撮れます。また、この機能を利用しますと、電源が50サイクルで点灯している蛍光灯の照明でも、フリッカーが目立たなくなります。
このように、CCDカメラは撮像管にない機能を付加する事が可能になると他に、電気調整も簡略化され信頼性の高いカメラだと云えます。

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