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2011年8月 6日 (土)

CCDセンサが画像を取り込むしくみ FAQ編

CCDセンサが画像を取り込むしくみ

初心者からの素朴な質問6問に回答した事例をアップします。
(evernote EVERNOTE 整備していたら、いろいろ過去のlogが出てきた。)

まず、下記東芝CCD解説をざっと目を通してください。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/sensor/document/databook/ccd_databook.html

質問項目:

> 1、ランプで照射された原稿の文字をどのようにしてフォトダイオードが識別するのか?
> 2、レンズの役割
> 3、フォトダイオードは文字の違いによってどのような光の種類をどのような電荷に変えるのか。
> 4、A/D変換とは何か。
> 5、画素数ってのはフォトダイオードの数のこと?
> 6、TGは何をリセットするの?

> 1、ランプで照射された原稿の文字をどのようにしてフォトダイオードが識別するのか?

カメラと同じ原理。カメラは、実像をレンズで結像する。結像位置にフィルムの代わりにセンサ(フォトダイオード)を置く。センサに入ってきた光の量をフォトダイオードが電荷(電子)に変える。電荷はA/D変換素子によってデジタル数値に置き換わる。センサの段階では、文字は、格子状に分けられた[画素]の明暗のみで表現されて いて、文字として認識されている訳ではない。

> 2、レンズの役割

実像をレンズでセンサ(フォトダイオード)上に結像する。
実像〜レンズまで:a
レンズ〜結像位置まで:b
焦点距離:f
とすると、
1/a + 1/b =1/f
焦点距離とは、平行光の光が入ってきた時に焦点を結ぶ距離。

※集点ではなく、焦点。焦(こ)げる。太陽の光が代表的な平行光。太陽の光を結像し、紙を焦がす距離が、焦点距離。

> 3、フォトダイオードは文字の違いによってどのような光の種類をどのような 電荷に変えるのか。

フォトダイオードは、光が当たると電子が発生する半導体。太陽電池も同じ原理。
電子が溜まった総体を電荷という。
溜まった電荷を抵抗に流して電圧を発生させる。
イメージスキャナやデジカメに使用するセンサの成分は、元素記号 Si シリコン。
シリコンは、380nm~1100nmくらいの波長に感度が有り、光が入ると電子に変わる。

> 4、A/D変換とは何か。

アナログ・デジタル変換の略。電圧の時点では、アナログ情報。これを、A/D変換器を使って、デジタル信号に変える。

> 5、画素数ってのはフォトダイオードの数のこと?例えば100万画素てのは1辺の長さが6〜12 マイクロメートルの正方形をした、100万個のフォトダイオードがあるってこと?

デジタルカメラの場合はその通り。100万画素であれば、1000x1000画素の2次元配列。イメージスキャナは、1列のセンサを機械的に動かしながら2次元の画像を作る。
カラーイメージスキャナで、例えば、7千画素x3(RGB)列の3列センサからなっている。

> 6、TGは何をリセットするの?

トリガ信号の意味。センサに光を貯める周期を決める信号。
フォトダイオードは、光が当たっている間、どんどん電子が発生して電荷が溜まる。一杯にならない内に、溜まった電荷を隣のCCDシフトレジスタの「バケツ列」に空ける。ドサット一斉に空ける周期を決めているのが、TG。Φ1、Φ2の2種の転送パルスによって、CCDシフトレジスタのバケツの中の電荷が 隣のバケツに空けられていく動作が連続、かつ高速に行われる。例えば、ラインセンサの画素数が 7000画素。TG周期が 7ミリ秒(7*千分の1秒)の時、CCDシフトレジスタの転送は、その7000倍の信号で送る。つまり、1μ秒、にて、1画素の電荷が隣のCCDシフトレジスタに空けられる。CCDシフトレジスタの一番ハシっこの画素の電荷をA/D変換がデジタル信号に変える。これを、1μ秒で高速に7000回繰り返して、7000画素分の画像の値が得られる。以上作業をやっている時間(7ミリ秒)にフォトダイオードに蓄積された電荷を、再度 TG信号により、CCDシフトレジスタに転送する。

より詳しいCCDの動作原理は、下記参照のこと。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/sensor/document/databook/ccd_databook.html

特に、

CCDリニアイメージセンサの動作原理 (PDF:300KB)

の 図2−1 。CCDラインイメージセンサの基本構造図。

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