インタビュー

キヤノンEOS 70Dの「デュアルピクセルCMOS AF」に迫る

“EOSの大きなマイルストーンになる技術”

 キヤノンが8月29日に発売するデジタル一眼レフカメラ「EOS 70D」は、ライブビューで高速にAFができる新開発の技術「デュアルピクセルCMOS AF」を搭載する。今回は、デュアルピクセルCMOS AFの仕組みなどについて、同社開発陣にお話を伺った。(本文中敬称略)。

お話を伺ったメンバー。左からキヤノンイメージコミュニケーション事業本部ICP第二事業部 課長代理の渡邊敦志氏(デュアルピクセルCMOS AF全体の企画を担当)、同事業本部ICP統括第一開発センター 主幹研究員の宮成洋氏(デュアルピクセルCMOS AFの要素技術開発のリーダー)、同事業本部ICP第二開発センターの矢野慎一郎氏(デュアルピクセルCMOS AFのファームウェア設計を担当)。
EOS 70D

「10年に1度の新技術」

――まず、EOS 70Dに搭載された「デュアルピクセルCMOS AF」の仕組みを教えてください。

宮成:図を見て頂くとわかるとおり、AFの際には1つの画素を2つのフォトダイオードに分割して位相差AFを行ないます。トータル約4,030万個のフォトダイオードを搭載していて、位相差AF機能と撮像機能を併せ持っているということです。実際には1画素分だけで測距ができるわけではなく、この画素を幾つも横に並べてラインセンサーのような状態にして像を検出します。

従来の画素の構造。1つのマイクロレンズに対して、1つのフォトダイオード(=画素)がある。
デュアルピクセルCMOS AFの場合、1つの画素を2つのフォトダイオードに分割している。
分割されたフォトダイオードの片側を仮に「フォトダイオードA」、もう片側を「フォトダイオードB」とよぶ。

 ピントが合っていない状態ではフォトダイオードAの「A像」とフォトダイオードBの「B像」はボケておりかつズレています。このズレがどれだけピントがズレているかに当たります。ズレ量がわかれば、レンズをどれだけ動かせば良いのかがわかるので、それに従ってレンズを動かして合焦させます。これは光学ファインダーを使用した際の位相差AFシステム(以下「ファインダーAF」)と同じ原理です。

フォトダイオードのAとBにおいて、それぞれ独立して位相差の信号を検出する。
デュアルピクセルCMOS AFの動作。A、Bそれぞれのフォトダイオードから位相差を検出する。
2つのフォトダイオードの信号のズレ量からレンズ駆動量を算出する。
レンズを駆動する。
コントラストAFは合焦点付近で迷う動作をするが、デュアルピクセルCMOS AFでは一発で合焦する。

 デュアルピクセルCMOS AFでは撮像の光学系をそのまま使って、撮像面でAFを行なっています。一方、ファインダーAFでは、撮影レンズを通った光線はサブミラーで反射して専用のAFセンサーに導かれます。ファインダーAFの位相差センサーの左右に伸びるラインセンサーが、デュアルピクセルCMOS AFで言えばA像とB像に相当します。

 撮影画像を出力する際には、A像とB像という2つのフォトダイオードの信号を1つにして出力します。これによって従来の1画素と同じ働きになるわけです。1画素の間にスリットを設けるなどすれば簡単に2つのフォトダイオードに分けることができますが、これだとAFはできても撮像という面では不感帯になるなどして支障を来してしまいますので、物理的な仕切りは入れていません。AFもしっかりできて、画像も問題なく出力できるのがデュアルピクセルCMOS AFの大きな利点です。デュアルピクセルCMOS AFでは、撮像に関する画質的影響は全くありません。

渡邊:1画素内にある“2つ”のフォトダイオードが、AFと撮像の“2つ”の機能を兼ねるということで「デュアル」を名称に入れています。

――ユーザーにはどういったメリットがありますか?

渡邊:ライブビュー撮影でもファインダーAFと同じようなEOS本来の高速一発合焦を大きな特徴としています。これを大きなセンサーを持つ一眼レフカメラで実現した、ということに大きな意味があると考えています。

渡邊敦志氏。デュアルピクセルCMOS AF全体の企画を担当。

 キヤノンはこれまで「EOS-1D Mark III」(2007年5月発売)でライブビュー、「EOS 5D Mark II」(2008年11月発売)で動画撮影機能を採用し、一眼レフカメラの撮影スタイルを変えてきました。しかし、ライブビュー撮影や動画撮影を踏みとどまらせたものがなかったのかと考えると、特に「快速」や「快適」の部分に改善が必要だったことは否めませんでした。今回は動画でも被写体追従性が高く、エントリーの方でもハイアマチュアと同じように撮影できます。

 社内では「10年に1度の技術」といわれており、EOSの進化の歴史において必ずや大きなマイルストーンになるでしょう。今後の一眼レフカメラでの撮影、そして今後のライブビュー撮影を大きく変えるテクノロジーではないかと思っています。

デュアルピクセルCMOS AFに対応したEOS 70Dの撮像素子

――既にキヤノンが実用化している「ハイブリッドCMOS AF」に対するメリットは何でしょうか?

宮成:ハイブリッドCMOS AFでは、位相差AFの専用画素を離散的に配置しています。1つの画素内で配線層を拡大して遮光部分を作りA像またはB像に相当する位相差画素が形成されています。この専用画素は、数が限られており、いわば飛び飛びに配置してあるためAFの精度が出ません。そのため最終合焦にはコントラストAFが必要になります。位相差画素を増やせば良いのでは? と思われるかもしれませんが、この画素はそのままでは撮像には使えないため画像処理をしなければなりません。しかし画像処理をやり過ぎると絵として成り立たなくなってしまうので、配置できるAF画素には限界があったのです。

 一方のデュアルピクセルCMOS AFは、“これ以上ない”という密度でAFセンサーを配置していますので精度が良く、位相差AFだけで最終合焦まで行けるのです。そのため、ファインダーAFとほとんど変わらないAF速度が実現できました。現在のところ、103本のEFレンズでデュアルピクセルCMOS AFの効果を発揮できます。

 この103本以外のレンズの動作ですが、デュアルピクセルCMOS AFでレンズ移動の方向を検出して、その後コントラストAFで合わせます。最初に位相差センサーで方向を指示すれば、コントラストAFでもさほど遅くなるわけではありません。103本のレンズは1本1本ピントの確認を行なっています。すべてのレンズの検証に約6カ月掛かりました。

 デュアルピクセルCMOS AFもハイブリッドCMOS AFも、撮影環境によってAF速度が変わりますが、変化が大きいのはハイブリッドCMOS AFですね。例えばSTM(ステッピングモーター)レンズや最近のUSM(超音波モーター)レンズといった制御性の良いレンズを使えば、ハイブリッドCMOS AFでも実際はデュアルピクセルCMOS AFと大きく速度は変わりません。ただし、廉価帯のレンズや古いレンズを使用した場合は両者のAF方式では差が開いてきまして、結果としてデュアルピクセルCMOS AFの方が高速化を体感できると思います。

渡邊:DCモーターのレンズは動画撮影時は音が気になりますが、デュアルピクセルCMOS AFなら追従性は悪くありませんね。デュアルピクセルCMOS AFは、ユーザーの方々のレンズ資産をより有効に活用できる技術だと言えます。これも当初から考えていたことです。

宮成洋氏。デュアルピクセルCMOS AFの要素技術開発のリーダー。

――レンズの制御性の違いというのは、モーターの種類の違いということでしょうか。

矢野:モーターとレンズ駆動機構の違いですね。リードスクリュータイプのSTMレンズはステッピングモーターを使い、リードスクリューを介してレンズを駆動しています。ステッピングモーターは何ステップ動けという指示の通りにスッと動くので、バックラッシュなどが少なく狙ったところで止めることができます。これが制御性が良いという意味です。

 一方で、DCモーターは電磁モーターからギアを介してフォーカスレンズを動かします。DCモーターはステップで動かしているわけではないので、モーターの慣性やギアのバックラッシュなどがあるため制御性はSTMレンズには及びません。DCモーターを高速駆動しようとして一気に回してしまうと、狙ったところで止めるのが難しくなります。こうした制御性の違いがAF速度に表れているわけです。レンズ駆動量をあらかじめ算出してレンズを動かすため、デュアルピクセルCMOS AFはDCモーターのレンズでも静止画撮影時には、より高速にレンズを動かすことができます。

――USMレンズは制御性としてはSTMレンズに近いのでしょうか?

矢野:そう言えます。DCモーターに比べると制御性は良いので非常に速く動かせます。2009年9月以降に発売しているUSMレンズでは、デュアルピクセルCMOS AFのようなAFシステムを考慮した制御性を採用しています。

――やはりSTMレンズが一番速いわけですね。

宮成:条件にもよりますが、デュアルピクセルCMOS AFでは、ワンショットAFにしても動画の追従性にしても、駆動方式としてはリードスクリュータイプのSTMレンズが優れています。もともとリードスクリュータイプのSTMレンズを開発した狙いに、撮像面AFを速くしたいということもあります。

――動画撮影中のデュアルピクセルCMOS AFは、ゆっくりと合焦速度するそうですね。

矢野:動画中のAFを見て頂くとゆっくりした動きという印象を持たれると思いますが、単純にスピードを遅くしただけではなく、レンズ駆動のやり方も静止画時とは変えています。動画撮影で大切な“フォーカスを送る”という考え方を重視し、どのレンズであっても人がピントリングを操作するような滑らかさを目指してチューニングしました。最後にフォーカスハントがない品位のある合焦が実現できました。デュアルピクセルCMOS AFとの相性がベストなのはSTMレンズですが、ユーザーの方々がこれまでに揃えたEFレンズでも本当に滑らかな動きになっていると思います。

矢野慎一郎氏。デュアルピクセルCMOS AFのファームウェア設計を担当。

宮成:一眼レフカメラは静止画を撮ることが主で、動画は従のところがあったと思います。キヤノンの姿勢としてもそれは変わりませんが、今回は動画撮影のハードルを下げて、「動画を撮ってみよう」と思わせるカメラに仕上げました。ぜひ動画を撮って頂いて静止画とともに楽しんで欲しいと思います。

渡邊:そうですね。EOSムービーもあたらなステージに入ると考えています。技術がユーザーベネフィットに直結した結果ですね。

有効エリアが「約80%(縦)×80%(横)」の理由

――センサーの話に戻りますが、フォトダイオードのAとBに光を分けるのはどのような仕組みで行なっているのですか?

宮成:それはノウハウに直結するのでお答えできません。ただ、先ほども申しました通り、フォトダイオードの間に物理的な仕切りがあるわけではありません。

――フレームレートごとにA像のみ、B像のみ……というふうに時分割で分けているのでしょうか?

宮成:そうではありません。同時刻にAとBに光が入るようになっています。

――そうすると「A像」、「B像」、「撮像データ」を1フレームで取得しているということですか?

宮成:撮像データはA像とB像を合わせたものになりますから、そのようにお考え頂いて良いと思います。

――撮像素子は集光のために1つ1つの画素の上にマイクロレンズが乗っているわけですが、今回はデュアルピクセルCMOS AFに対応した特別なマイクロレンズになっているのでしょうか?

宮成:センサーにAF機能が入ったことで、光学的な対応という部分で従来とは少し異なった考え方で設計はしています。この部分もかなりノウハウが詰まっているので、あまり詳しくお話しできません。

マイクロレンズとは、集光効率を上げるためにフォトダイオードの上に乗っているレンズのこと。

――デュアルピクセルCMOS AFもラインセンサー状に機能しているということですが、横方向に伸びるラインセンサーと言うことで良いでしょうか?

宮成:そうなります。横のラインセンサーなので縦線検出のみになり、ファインダーAFにある横線対応の「クロス測距」にはなっていません。デュアルピクセルCMOS AFは“完全な横線”は検出できませんが、ちょっと角度がある横線であれば検出できる仕組みを取り入れています。ですから、通常の使用で不都合が出ることは少ないと思います。

――画素を4つのフォトダイオードに分割すれば、横線検出可能なクロス測距に対応できそうですね?

宮成:一般論としては縦線検出用のAFセンサーで横線検出をしようとすれば、画素を縦に分割すれば可能でしょう。ただ、弊社として将来そうしたことができるのかはお答えできません。

――デュアルピクセルCMOS AFが苦手とする被写体は、ファインダーAFと同じでしょうか?

矢野:傾向としてはファインダーAFと同じで、全くコントラストが無い被写体には合わせられません。しかし、つぶつぶの模様がある壁紙や雲といったものであれは合焦可能です。私どもとしては、意外と苦手被写体は少ないという印象を持っています。また、コントラストAFが苦手とする高輝度被写体や点光源といったものでも結構合います。

――デュアルピクセルCMOS AFが利用可能な範囲は、撮影画面に対して縦約80%×横約80%です。今回のセンサーは全面がデュアルピクセル構造になっていますが、画面全体の端から端までAF枠が動くようにはできないのでしょうか?

宮成:経験上ご存じかと思いますが、レンズによってはフォーカシングに伴って撮影倍率(写る範囲)が結構変わってしまいます。そうすると、画面の端の被写体にピントを合わせようとしてフォーカシングした際に、その被写体が画面外に消えてしまったり、あるいは逆に余計なものが入り込んで来たりするわけです。そうした問題を排除するために、縦約80%×横約80%というエリアを設定しています。

撮像素子の全面がデュアルピクセル構造になっている。

 もともと、以前のコントラストAFの時からこの理由で同じエリアを設定していて、今回もそれを踏襲しました。この現象はどのAF方式でも問題になりますからね。ちなみにセンサーサイズは異なりますが、たとえば「EOS-1D X」のファインダーAFの測距点範囲と比べても、デュアルピクセルCMOS AFのエリアは画面に対して広いのです。

――デュアルピクセルCMOS AFでは長方形のAF枠が出てきますが、この枠に中で横1列のラインセンサーが形成されるというイメージでしょうか?

矢野:AF枠の中のフォトダイオードで位相差を検出しますが、この枠内のフォトダイオードをほとんど使ってAFをしていると思って頂いて結構です。単純に1列だけのフォトダイオードでAFをしているわけではありません。また、ある程度“面”で捉えていた方が、タッチAFの場合に被写体を捉えやすくなります。AF枠に関しては、これまでのコントラストAFやハイブリッドCMOS AFの使い勝手を踏襲しています。

AF枠はタッチ時の操作性も考慮してある。

マイクロアジャストメントは必要なし

――ファインダーAFでは「F2.8光束対応」や「F5.6光束対応」といったセンサーが使用されていますが、デュアルピクセルCMOS AFではどのような扱いになるのでしょうか?

宮成:F2.8対応のセンサーとは、F5.6対応センサーに比べて基線長が長く、より高精度に測距できるというものです。反対に開放F5.6のレンズを使用した場合は、瞳(光束)が開放F2.8のレンズよりも小さくなるため基線長の短いF5.6対応センサーで捉えることになります。ファインダーAFでは、さらに暗い開放F8のレンズになるとAFができなくなります(ただし、EOS-1D XやEOS 5D Mark IIIはF8でもAF可能)。つまりレンズの開放F値によって、使えるAFセンサーと使えないAFセンサーが出てくることになります。

 その点デュアルピクセルCMOS AFは、開放F値が変わっても光束の大きさに応じた基線長になるだけで、位相差AFに使用するセンサーはかわりません。実際にF8位でも問題なくAFが可能です。これはファインダーAFとの大きな違いになっています。

――デュアルピクセルCMOS AFでも暗いレンズになれば基線長は短くなると思いますが、合焦精度に違いはあるのでしょうか?

宮成:デュアルピクセルCMOS AFにおいても、暗いレンズでは瞳が小さくなるので、基線長は短くなります。デュアルピクセルCMOS AFの基線長とファインダーAFの基線長の違いはお教えできませんが、実際の精度はファインダーAFと全く変わりません。

――デュアルピクセルCMOS AFでも、ファインダーAFと同じように「AFマイクロアジャストメント」(ピント微調整)機能が利用できるのでしょうか?

矢野:利用できません。撮像面で実際の像でAFをしているため、そういった調整は必要ないということになります。

――低輝度への対応はどうでしょうか?

宮成:EOS 70DのファインダーAFは最低輝度が公称-0.5EVで、デュアルピクセルCMOS AFが0EVとなっています。ファインダーAFに比べてデュアルピクセルCMOS AFが若干劣るのですが、実際の低輝度時は光学ファインダーではそもそも被写体がどこにあるのかが見えづらいと思います。しかしライブビューならかなり暗い場所でも煌々と見ることができ、そのままAFが使えるわけです。ですから暗い場所での使い勝手という意味では「ライブビュー+デュアルピクセルCMOS AF」のメリットが特に大きいと思います。

“約4,040万画素”の表記ではない理由

――ところで、フォトダイオードの数は全部で約4,030万個だと最初にお話し頂きました。EOS 70Dは約2,020万画素なので、倍ですと約4,040万個という計算になります。

宮成:よく聞かれるのですが実際の画素数は2,016万画素で、それを四捨五入して約2,020万画素と表記しています。ですからフォトダイオードの数は2,016×2で4,032万個になります。またこれも四捨五入しまして、約4,030万個のフォトダイオードと表してしています。

フォトダイオードの数は4,030万個にもなる。

――今回のセンサーは“画素数”と“フォトダイオード数”が異なるわけですが、スペックの表記としては約4,030万画素ではなく、約2,020万画素になっていますね。

渡邊:もともと、「マイクロレンズの下に1つのフォトダイオードがある」というものを1画素とする基準がありました。今回はマイクロレンズの下に2つのフォトダイオードがあるため、新しい概念になります。「約4,030万画素」という言い方も、もしかしたらできるのかもしれませんし、そうした議論も社内であったのですが、実際に出てくる最終的な絵としては2つのフォトダイオードの信号を1つにした約2,020万画素ですから、お客様に誤解のないようにということで“約2,020万画素”の表記を選択しています。

――今回のセンサーの画素ピッチはどれくらいになっていますか?

宮成:4.1μmです。

――デュアルピクセルCMOS AFになったことで、画像処理側にも新たな工夫をしたのでしょうか?

宮成:AFに関しては、前処理を行なう専用ICを新しく開発して搭載しています。一方、画像処理自体はフォトダイオードが2倍になったから大変になるということはありません。というのは、2つのフォトダイオードの信号を1つにしてしまえば、従来のセンサーの信号と同じになるからです。

EOS 70Dのメイン基板。

――EOS 70Dの発表以降は、ミラーレスカメラの「EOS M」(2012年9月発売)にデュアルピクセルCMOS AFが入っていれば……という声をよく耳にしました。

宮成:最近ファームウェアアップデートでAFが速くなりましたね。EOS MはEOS Mの道で進化しているということです。

――デュアルピクセルCMOS AFは、コンパクトデジタルカメラなど他のタイプのカメラにも搭載できるのですか? また、今後登場するEOSはデュアルピクセルCMOS AFを採用していくのでしょうか?

渡邊:この技術はさまざまなカテゴリーの製品への展開など、多くの可能性を持っていますが、「なにに」、「どれに」というのはまだ申し上げられません。

インタビューはキヤノン本社(東京都大田区下丸子)で行なった。

(本誌:武石修/撮影:國見周作)