光ショットノイズ

１９９０年代の初めの頃、「１０００万円以上の価格で販売されているドラムスキャナに対して、

どうしてＣＣＤタイプのスキャナは画像品質で勝てないのだろう。」

という素朴な疑問からいろいろと考えていた時期がありました。

画像品質には、解像度、階調性、色再現性の主に３つの要因があります。

当時フラットベッドスキャナの解像度は、高々400dpi程度でしたが、

いずれレンズとCCDの製造技術の勢いから35mmフィルムに必要となる4000dpi以上に到達するだろうと楽観していました。

★

しかし、階調性については何がその根本原因なのだろうと調べていく内に『光ショットノイズ』というノイズの主成分の事を知りました。

センサ1画素に蓄えるフォトン（光子）の数の平方根が光ショットノイズであり、これは量子的な揺らぎから来る不可避なノイズであること、つまり、1画素に蓄えることができるフォトンの数量でその限界が決まることを知りました。

当時、CCDの画素あたりに蓄えることができるフォトンの数なんて、どのセンサメーカーもまともにスペック表示しておらず、有ったとしても　感度：＿[V／lux・Sec.]　という表記であり、A/D変換前のアンプ倍率でいくらでも数字が変えることができるような詐欺のような表示のみでした。

そこで、原稿面照度は既知なので、レンズの光伝達効率から、CCD面上での照度を計算し、実際に作っているイメージスキャナの光源で照射された原稿面上の照度と、ラインセンサの蓄積時間（光を貯めるシャッター速度に相当）から、１画素あたりの光量を計算し、緑の波長であることを仮定して、１ケのフォトンの持つエネルギー［式：ｈν＝E］から逆にフォトンの数を計算する方法を思いつきました。

その計算結果が、次のｐｄｆにまとめてあります。

[1999-6-24]　日本画像学会技術講習　で使った資料　です。５－２．階調性をご覧下さい。

この時の計算から、当時設計していたイメージスキャナで大凡、２～３万フォトンの光子を貯めていることが推定されました。

やがて、KODAKがきちんとこの画素あたりの蓄積電子数をスペックに謳っていることを知りました。

（光電変換効率が１００％であると仮定すれば、電子数はそのまま受けたフォトン数に相当するわけです。）

そのKODAKのCCDで、４０万電子。当時、そのCCDはドラムスキャナを販売している印刷屋のハイエンドCCDスキャナに使われていました。１００万フォトンと仮定して、平方根で1千フォトン。S/Nは、１００万／１千なので、1千。

つまり、OD値換算すると３．０まで光ショットノイズ無く滑らかな画像を得られる計算となります。

[2008.5.23計算ミス発見。修正済。]

★

最近も、ES-2200というエプソンが造ったスタンダードＡ４機のスキャナをリニアガンマ（％１）で１６ｂｉｔスキャンし、デジタル的にフォトンを加算する手法で、光ショットノイズの変化を調査してみました。

その結果、加算する画像の枚数（Ｎ）の平方根に反比例してノイズが低減することがわかりました。

技術報告書　『iMeasureScanを用いたマルチスキャン（デジタル増感）の効果評価』

このことから、下手な暗部ノイズ低減処理を入れてごまかすよりも、センサの素直な光ショットノイズをユーザーに手渡し、デジタル加算というソフトウェア的な処理によって、格段に滑らかな画像を得ることができることが証明できました。

この手法を使って、止せばよいのに（＾＾；）最大ＯＤ値　６．０までのステップタブレットを使って、定価：１４万８千円で販売されている（た）フラットベッドスキャナで、いったいいくつまで暗部が見えるのかを調査した結果、２５６回の加算スキャンによって、ＯＤ値　５．２までは見えることが分かりました。

検出光学濃度限界に挑む

http://imeasure.cocolog-nifty.com/blog/2008/03/post_2675.html

いやあオモシロイ。。

で、もっちんさん（！）いきなりですが、

ラインセンサってのは、その蓄積電子数を格段に増やすカスタマイズってのは難しいのでしょうか。

例えば、３０ｃｍウェーハー１枚分をカスタムセンサとして製造プロセスの一部を変更することで、

従来画素あたり３～５万程度だった蓄積電子数をせめて１ケタ増やすことなんて製造委託は、簡単にはできないでしょうか。

既成のイメージスキャナのＣＣＤとピンコンパチにして製造できるとすれば、面白い商品企画があるように思っています。

【補足】

秀逸なCCD/CMOSセンサについての解説を見つけました。

■大学の先生

www.ic.is.tohoku.ac.jp/~swk/lecture/ic2005/kagami_ic20050419.pdf

イメージセンサの基礎

東北大学　大学院情報科学研究科　鏡慎吾　2005.04.19

光ショットノイズについての説明：page-24

CCD/CMOSの原理の説明：page-14

■デジタルスチルカメラの設計者（かな。。）

（追記：2010.4.8）
光ショットノイズの検証をされています。
センサメーカーが飽和電荷量を仕様書に掲載していないことに言及し、Kodakの仕様書を確認しています。
-----
http://f42.aaa.livedoor.jp/~bands/ccd/ccd.html
３．ショットノイズ
そこで少し古い製品ですが、Kodakの35mmフルサイズ1100万画素CCDのスペックを調べてみました。飽和電荷量は6万エレクトロン＝電子6万個 となっています。
-----

（追記：2017-5-31）
この光ショットノイズ低減のテーマである、「１画素に貯めることのできる光子数をいかに増やすか？」に沿った新しい技術の進展がありました。

（１）シリコンフォトダイオードではなく、有機薄膜で光電変換する。
（２）後段のC-MOSで電荷を蓄積する。
という役割分担のアイデアです。
これで、理論上は、いくらでも電荷を蓄積するセンサが開発されるはずです。
いよいよ、ドラムスキャナが見ることのできなかった世界を見せてくれるのかも知れません。

panasonic プレスリリース　2016年2月3日
http://news.panasonic.com/jp/press/data/2016/02/jn160203-3/jn160203-3.html



（追記：2018-2-14）
panasonic　プレスリリース　2018年2月14日

https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000002990.000003442.html

「45万電子の高飽和（略）CMOSイメージセンサ技術を開発しました。」

（追記：2018-3-30）ダイナミックレンジ　ｘｘｄＢの定義。

自動車の自動運転技術関連ニュースから、SONYの高ダイナミックレンジ車載カメラの仕様記述から、見つけました。10年前の記事です。

EMVA1288

https://www.jstage.jst.go.jp/article/itej/62/3/62_3_307/_pdf

仕様書：

http://www.emva.org/standards-technology/emva-1288/