ASI294MCのベイヤー構造判明か?

★アイピースを使った『なんちゃって顕微鏡』
前回のエントリーで、望遠鏡のアイピースとnikon1V3を用いて自作した『なんちゃって顕微鏡』でASI174MCのベイヤー構造を撮影に成功したよーという自慢話をしました♪

ただ、本来の目的は『謎』が多い冷却CMOSカメラASI294MC-Proのベイヤー構造を実写するということでした。にもかかわらず、前回の『お約束』で「ASI294MCの撮影リクエストには応じられない」と書いたのは、技術的に非常な困難が伴うからでした。


★困難その①:Bピクセルが写らない!

前回の撮影では、ビクセンのLV20mm+BORGエクステンダーメタルの組み合わせを逆付けして対物レンズに仕立て上げたのですが、これがなかなか上手く行きません。どういうわけかBピクセルが写らないんですね。

そこで、ダメ元で撮影用カメラをニコン1V3から(お気軽電視観望用にポチっておいた)SVBONYのSV305に換装してみました・・・。SV305は非常にお安いカメラですが、撮像チップはASI290MCと同じIMX290が奢られているので、その性能に期待を掛けた訳です。
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すると・・・
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かなり解像度が上がったものの、まだB素子が写りません

このあたり、望遠鏡用アイピースでは何らかの限界があるのかも知れません。


★困難その②:ワーキングディスタンスが短すぎる!

一般的なマクロ撮影において、レンズ先端から被写体までの距離を「ワーキングディスタンス」と呼びます。対象を大きく写すためには被写体に接近することが重要ですが、あまりに近づきすぎると対象の昆虫などが逃げたり、レンズ面が対象と接触したり、隙間が小さいために照明に難儀したりします。

ちなみに、理想的条件下(無収差の薄肉単レンズ)では、下記の関係が成り立ちます。

 a:レンズから被写体までの距離
 b:レンズからカメラの撮像素子までの距離
 f:レンズの焦点距離
 m:撮像倍率

とするとき、

1/a+1/b=1/f・・・①
m=b/a・・・②

ここから計算すると、たとえば、10mmの単レンズで倍率5倍を得ようとすると、レンズから被写体までの距離がたったの12mmとなってしまい、CMOSセンサー面を撮影する際には(接近するために)保護ガラスを外すなどのリスキーな作業が必要となります。

また、焦点距離が長いレンズ、たとえば100mmの単レンズで倍率5倍を得ようとすると、被写体までの距離が120mmとなりますが、副作用としてレンズから撮影用カメラ素子まで600mmも離さないといけないことになります。

以上をまとめると、

高倍率撮影時において
 短焦点レンズの欠点:ワーキングディスタンスが短くなる
 長焦点レンズの欠点:バックフォーカスが遠くなる
となります。

そこで、フィルム時代から多用されてきた方法が「カメラレンズのリバース接続」です。ちなみにリバース接続とは、レンズの前後を逆にしてカメラに接続する手法です。


★なんでリバースが有利なの?
はじめに白状しておきます。あぷらなーとは光学の素人です。以下の説明はあくまでイメージ的なものだと解釈してくださいね。(お詳しい方はいじめないで)。

さて、一般的なレンズを簡単のため無収差の薄肉単レンズであると仮定します。
すると、下記のように大きな被写体が(フィルムとか撮像チップ面とかに)縮小投影されることになります。
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ところが実際には広角レンズに良く用いられる「レトロフォーカス」タイプのレンズでは、下記のように、同じ大きさの像を得る場合でもバックフォーカスが長くなるように設計されています。
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その意義は一眼レフカメラにおいて、ミラーが稼働する空間を確保することですが、これがリバース撮影時に効いてきます

たとえば、一般的なレンズをリバース接続しても
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このように、普通に装着したレンズで被写体に接近したのと変わりません

ところが、先述のレトロフォーカスタイプのレンズの場合は、
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このように、(正接続の際にバックフォーカスを伸ばす機能が逆に作用して)ワーキングディスタンスが長くなることが期待されます。

多少語弊があるかも知れませんが、
広角レンズのリバース接続の場合は
「どんなに倍率を高くしても、カメラのフランジバック程度のワーキングディスタンスが確保される」
と考えて良いでしょう。


★というわけで、リバース接続第一弾
まずは、ニコンの35mmF2をリバース接続してみました。
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アイピース転用の場合と比べて、被写体であるASI174MCのチップ面までの距離(ワーキングディスタンス)が非常に長くなったことが分かります。
これなら、保護ガラスを外す必要も無くなりますし、照明光を当てるのも楽ちんです。

では、リバース接続の威力を見てみましょう

ででん!!
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きたー!!
ついにASI174MCのベイヤー構造を難敵のBピクセルも含めて鮮明に写し出すことに成功です♪

ちなみに、Samさんが「ピクセルの色が出ない条件がある」と悩まれていたのですが、あぷらなーとの場合は、光源を正面ではなく撮像チップの対角線上に照射すると上手く写すことができました。
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  ※左:素子短辺側上方から照明 右:素子対角側上方から照明

なぜ、こうなるのかは謎ですが、とにかく照明は対角側から照射するのが良さそうです。

では、ASI294MC-Proの撮像チップの謎に迫ってみましょう♪


★ところがどっこい
35mmF2のリバース接続でワーキングディスタンスを稼げたので、早速『ラスボス』:ASI294MCのベイヤー構造撮像に挑んでみました

ところが・・・・
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ああ、なんということでしょう。
強烈なモアレが発生して、悲惨な像になってしまいました。

撮像に用いたSV305は当然ローパスフィルターレスなのですが、いかんせん解像度が足りなかったようです。要するに拡大率が足りないのですね。

でも、ちょっと待ってください。
よく見ると、なんだか不思議な構造が見えませんか?
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なんというか、通常のベイヤーとは異なる非常に細かい構造めいたものがあるように見えます
これはひょっとして『異質なベイヤー構造』が捉えられ始めたのかも知れません。



★拡大率をさらにアップしてみる
さて、前述のように、超拡大マクロ撮影においては「できるだけ広角レンズが有利」です。
そこで、撮影レンズをニコン35mmF2からシグマ28mmF1.8 に換装してみます。
さらにSV305にはBORGのエクステンダーメタルを装着。このこのセットアップで撮像倍率10倍に挑む作戦です。

理想的な単レンズを仮定して計算すると、28mmレンズを用いた場合の撮影倍率とワーキングディスタンスの関係は、下記のようになります。
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倍率10倍だと、ワーキングディスタンスが約30mm・・・相当苦しいですね。
しかし、リバース接続の威力で・・・・
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どうです!?
撮像倍率10倍なのに、余裕のワーキングディスタンスです♪

では、いってみましょう・・・。


★ところがどっこい2
しかし、さすがは難敵ASI294MC、そう易々とピクセル構造を見せてはくれませんでした。
像の大きさが増したことでモアレは全て解消したものの、ピント位置により見えるピクセルが異なるのです。
要するに、Gピクセルにピントを合わせるとRピクセルやBピクセルが消失し、Bピクセルにピントを合わせるとGピクセルやRピクセルがボケて消えてしまうのです。
さらに、Rピクセルはどんなに頑張ってもボケボケのままです。

あくまでも推測ですが、拡大率が大幅にアップしたために、レンズの色収差の影響や保護ガラスの色収差の影響などが出てきたのでは無いかと思われます。(回折系・干渉系のなにかも関係していそう)


★作戦変更
ここまで頑張って無収穫では悲しすぎるので、作戦を切り替えます。特にフィルターなどを用いる訳ではありませんが、各色の素子毎に特化したピント位置で撮像を試みます

すると・・・・
ででん!!
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おお、み、見えるぞ!!
4つのB素子がグループを構成している様子がッ!!


同条件でASI174MCのチップをBピクセル優先ピントで撮像したものと比較してみましょう。

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  ※左:ASI174MCのBピクセル 右:ASI294MCのBピクセル

あきらかに構造が違うことが分かりますね。

では、次にGピクセル優先ピント位置で撮像した画像を比較してみます
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  ※左:ASI174MCのGピクセル 右:ASI294MCのGピクセル

おお、これもハッキリと差が出ました。

残念ながらASI294MCのR素子については、どう頑張っても鮮明なピントが得られずその構造を写し取ることは断念しました。


★ASI294MCのピクセルサイズを推算する
では、ピクセルサイズが5.86μmとして既知のASI174MCの像を基準として、ASI294MCの『真の』ピクセルサイズを推算してみましょう。

この計算には、もっともシャープに写せたBピクセル像を用いました。

ASI174MCのBピクセルは14個のピクセル間距離が744ピクセルでした。
また
ASI294MCのBピクセルは28個のピクセル間距離が590ピクセルでした。

それぞれ、その間にGピクセルやRピクセルが隠れていることを考慮に入れて計算すると・・・・・

ででん!!
公称値4.63μmとされるASI294MCのピクセルサイズは2.28μmと推算されました!!
実際には公称値の約1/2のピクセルサイズだったという訳です。

ああ、これでハッキリしました。

ASI294MCの撮像チップは
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本当に、このようなクワッドベイヤー構造をしているようですね!

これを、実際にはRGBそれぞれ4ピクセルをハードウェアビニングして、1/4の画素数として出力しているのだと推測されます。

しかし、これ・・・・
今MATLABでやっているノイズ解析とか、以前から悩んでいる『サッポロポテト現象』とか、相当に難儀しそうな気がするなぁ。


★★★お約束★★★
①今回の結果は、あくまでも『遊び』です。正しい結果を示しているとは限りません。
②カラーフィルタが透過しているハズの『色』が相対したカメラに写る仕組みについては、よく分かりません。
 ※配置位置から考えてGピクセルが緑に発色していることは確かめられたため、単純な反射光ではないと推測します。
③ピクセルアレイの対角線上方から照明しないと色が写らない理由も不明です。
④実際の撮影においては、ピント調整・照明角度調整などが非常にシビアです。
 ※同じ装置を用いても容易には写らないと思います。
⑤ASI294MCのRピクセルが分解しなかった要因としては赤の波長が長いことが考えられますが、詳細は不明です。
⑥撮影時にはかなり明るいLEDライトを用いています。
電源がOFFの状態でもCMOSセンサーに強力な光を当てることは、なんらかのダメージを与える可能性があります。真似をしてはいけません。

Commented by Sam at 2020-01-27 11:05 x
うぉー、すごい!完全に判明じゃないですか!

やっぱりハード的には公称のハーフピッチなんですね。それを回路側でビニングしているか何かなのですね。
私はまだレンズが到着せず、待ちの状態です。もちろんこちらでも追試してみます。

あと謎は、
* なぜ45度傾けるとよく色が見えるのか?
* Rの構造を見てみたい。
くらいでしょうか。

でもなんでわざわざハーフピッチにするのでしょうか?多分今のプロセスだとこれくらいのピッチの方がコスト的に作りやすいとかはあると思うのですが、何か他にも理由はあるのか?

あと、もし各色でピントがズレるなら、焦点距離に影響出たりしませんかね?実際のズレがどれくらいの厚さに相当するかキャリブレーションできると面白いかもしれません。

いやー、でもすごい。超楽しそうで羨ましいです。
Commented by supernova1987a at 2020-01-27 12:35
> Samさん
ありがとうございます。Samさんの記事に触発され、重い腰を上げて臨んだ今回の企画ですが、予想以上の成果を上げることができました。

なぜわざわざ4画素混合(ハーフピッチ)にしているのかについては、(ASI294では駆動しないようですが)撮像素子の仕様を見る限り、「HDRモードでは4つのピクセルを2群に分けて自動でそれぞれの群の露光時間を変えることにより一発露光でHDR撮影を実現する」ためと思われます。ADCが14bitですし、この機能がASI294にも実装されていれば、中心部までサチらないオリオン大星雲とか、夢が広がるんですがねぇ。

ともかく、色による合焦位置の違い・照明光の角度依存・RGB全ての構造は写せないか・・・などなど課題が山積ですので、Samさんの40x対物レンズ投入をお待ちしております。
Commented by 是空 at 2020-01-27 18:35 x
すげっ!
やりましたね。しっかりレンズに4つの画像素子が見える。
赤に関しては神様が「これ以上、人間は見てはいけない。」と言ってるのでしょう。^^
Commented by gotodebu at 2020-01-28 19:28 x
これオンチップのマイクロレンズアレイがついてないですかね。
そうだとするとどうやってもカラーフィルター面にはピントが合わないと思います。

あと個々の画素の戻り光がレンズで収束した後拡散するので、それぞれが干渉すると思われます。
また、充填率の大きなマイクロレンズだと隣のレンズと隣接しているのでレンズ外形が四角になります。
その辺が角度で見え方が異なる理由なのではないでしょうか?
Commented by gotodebu at 2020-01-28 20:24 x
すみません
マイクロレンズアレイは前回の投稿のコメントで言及されていましたね。
ただ、照明が斜め方向からだとよく見えるのはやはりマイクロレンズのせいではないかと
いう気がします。
レンズとレンズ接している場合は対角の方がレンズが深くなりますし、
レンズとレンズが接していない場合でも、縦横より対角の方がレンズの間隔が広くなるので、
隣のレンズの影響を受けずに斜め光を取り込めるんではないでしょうか?
Commented by supernova1987a at 2020-02-02 16:07
> 是空さん
おかげさまでなんとか成功しました。
赤が写らなかったのだけが残念ですが、長波長の色は何かと難儀するものかもしれませんね。
Commented by supernova1987a at 2020-02-02 16:12
> gotodebuさん
おっしゃるとおりマイクロレンズの影響は大きいと思います。もしもマイクロレンズの表面で反射しているとすると色が付かないはずなので、マイクロレンズやカラーフィルタを透過した光が内部素子に反射し、それが再びカラーフィルタとマイクロレンズを通過して見えているのだと推測します。ピント位置のずれに関しては、撮影側はもちろんのことマイクロレンズ側の色収差も効いていると思われます。
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by supernova1987a | 2020-01-27 07:33 | Comments(7)

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