第14回 九州電子顕微鏡技術研究会 市民公開講演

デジタル写真は銀塩を超えたか? -光顕および電顕写真の入力から出力まで-

福岡大学 理学部 地球圏科学科 生物学分野  岩崎 雅行

1.要旨
  近年、民生用カメラでは、デジタルカメラが銀塩カメラの販売額を超えた。研究分野でも、多くのデジタル画像機器が発売され、顕微鏡写真のデジタル化の流れは必然のように感じられる。だが、果たしてプロの形態学者が本当に満足できる画像が得られるのだろうか? ここでは、特にデジタル機器の解像力の実測値を中心に、顕微鏡のデジタル入出力機器をシステム全体として評価し、銀塩システムと比較検討した。

 まず、肉眼の視力の実測値を考えてみると、視力1.5の人が250mmの距離にある物体を見るときの解像力は508dpiに換算される。一方、35mm銀塩フィルムの解像力は5080dpi、総画素数にして3000万画素以上になる。次にデジタル画像の解像力を実測する簡単な方法を紹介し、市販のデジカメのテスト結果を示した。機種によってはカタログに謳ってある画素数に見合う解像力を大幅に下回るものがあった。
 光学顕微鏡写真の場合、フィルム面での必要解像力は、最大で1200万画素程度である。35mmフィルムで撮影すれば余裕をもって全情報を記録できるが、光顕デジカメを使う場合、600万-1200万画素の実測解像力を持つ製品を探さねばならない。しかし、カタログの画素数に見合う解像力が出ている機種はほとんどなかった。
 走査電子顕微鏡の画像は500万画素程度であり、銀塩で記録するよりデジタル入力装置を使う方がノイズも少なく、実測解像力も5割ほど高いという結果を得た。透過電子顕微鏡写真は、もともと大判フィルムに撮影されているため、総画素数は8000万画素以上になる。これと同等なデジタル機器は当分現れそうにないので、現時点ではフィルムスキャナーで取り込むしかないが、2500dpi程度の実測解像力が必要となる。テストの結果、カタログの解像力を大幅に下回る機種があった。

1.解像限界・解像力・分解能の定義(表1)
 顕微鏡というものは肉眼で見えるよりも、もっと細かいものを見たいという欲求から生まれました。ですから、どれだけ細かいものが見えるかという性能が一番重要です。顕微鏡写真のデジタル化を考える場合にも、このシャープさを銀塩と比べることが一番重要になります。

 解像できる2線間の距離を解像限界といいます。解像限界が小さいほどシャープになります。解像限界の逆数を解像力といいます。解像力が高いほどシャープになります。解像力はmmあたり何本とか、インチあたり何ドットで表します。画素数も広い意味では解像力の一種です。
 分解能は理想的な条件下での解像力で、これは理論的な数値です。たとえば、あるスライドをある分解能で作って投影しても、実際には、人によって解像力はそれぞれ異なります。なぜなら、ひとりひとりの視力、スクリーンから座席までの距離、などの条件が違うからです。しかも、解像力が分解能を上回ることはありません。
 このように、シャープさを評価する場合、机の上での計算より、実際の解像力を計ることが重要です。また、デジタル画像は、入力から出力までいくつかのデジタル機器を経て、最終的に我々の肉眼で見られるわけですから、個々の機器の性能だけでなく、システム全体として評価する必要があります。たとえば、一般のデジカメの場合、レンズの解像力、フィルムに相当するCCDの画素数、保存する画像ファイルの圧縮率、パソコン上での画像処理、プリント時の解像度設定、プリンターの解像力、印刷面から目までの距離、見る人の視力など、多数の要素がからみます。このシステムの中にどれかひとつでも、解像力の低い要素があると最終的な解像力は、それで決まってしまいます。
 最終的に出力された画像の解像力が、肉眼の解像力より、はるかに低い場合、バカ拡大といって、写真や印刷のプロは、これをとても嫌います。逆に、肉眼より、はるかに高い解像力は、時間とコストのむだとなります。与えられた条件での肉眼と同程度の解像力で出力するのが、理想的といえます。そのためには、まず、肉眼の解像力を知る必要があります。

【表1】 解像限界・解像力・分解能の定義.

解 像 限 界 解像できる2点間または2線間の最小距離の実測値 [mm,μm]
解 像 力 1 / 解像限界 [本/mm,dpi]
分 解 能 理想的な条件下での解像力(理論値)


2.肉眼の理論分解能
 人間の目は非常に精巧なカメラで、フィルムに相当する網膜のいちばん深いところに、光を感じる錐体と杆体という細胞があります。杆体は薄暗いところで明るさの違いを感じ、白黒の画像をつくります。錐体は明るいところで、カラー画像を作ります。錐体には、RGBの色を感じる3種類の細胞があり、モザイク状に並んでいます。ちょうど、デジカメのCCDとそっくりの構造をしています。錐体と錐体の距離は、最もシャープに見える中心窩という場所では2.5μmで、網膜の理論分解能は視力にして2.0程度です。レンズの方も、ほとんど収差のないオートフォーカスのレンズで、レンズの理論分解能も視力にして2.0程度です。

3.肉眼の解像力(表2)
 実際の視力の実測には、ランドルト氏環というCの字型の指標を使います。見分けることのでる一番小さい切れ目の視角の、逆数が視力になります。たとえば、切れ目の視角2分なら視力0.5、1分なら視力1.0です。視力1.0の場合、5mから解像できる切れ目の幅は、1.5mmです。ところが、解像限界で表す場合には、2点間の距離ですから、1.5mm四方の白、黒、白の3点のうち、白と白の中心どおしの距離ですから、倍の3mmとなります。

 写真や印刷物の場合は、通常250mmぐらいの距離で見ますので、視力1.5の人は、その距離では、0.1mmの解像限界を持つことになります。これを解像力に直しますと、mmあたり10本、これを、ドットで表しますと、mmあたり20ドットで、1インチが25.4mmですから、508(ドットパーインチ)dpiとなります。  デジタル写真を考える場合、この508dpiというのを憶えておいてください。つまり、手にとって見る写真の場合、最終出力の実測解像力が、508dpiに近いほどよい、ということです。許容範囲は、半分くらいと考えてください。250dpi以下だと、大抵の人がボケている、つまりバカ拡大であることに気づきます。

【表2】 視力と解像限界

視力の定義 視力 = 1 / ランドルト氏環の切れめの視角 [分]
視力1.0の5mから解像できるランドルト氏環の切れめ 5000 × tan (1/1.0/60) ≒ 1.5mm
視力1.0の5mからの解像限界 1.5 × 2 = 3mm
視力1.5の明視距離250mmからの解像限界 3 / 1.5 × 250 / 5000 = 0.1mm
視力1.5の明視距離での解像力 1 / 0.1 = 10本/mm
視力1.5の明視距離での解像力 1 / 0.1 = 10本/mm
10 × 2 × 25.4 = 508dpi

4.35mm判銀塩カメラの解像力(表3)  銀塩カメラの代表である35mm版カメラの解像力を調べてみましょう。フィルムの解像力が(感度100で)mmあたり100本、レンズの解像力も同程度ですので、dpiに直すと5080dpiになります。カメラのように、視野が決まっている機器の場合、画面に含まれる情報量の大きさを画素数で表すことができます。mmあたり100本は、mmあたり200ドットですから、フィルムサイズをかけますと、7200×4800ドットで総画素数3460万画素になります。さきほど、肉眼の解像力が508dpiと述べましたが、銀塩の解像力は、その10倍ですから、10倍の大きさに引き伸ばしても肉眼ではシャープさが、損なわれないことになります。

 現在普及している一般向けのデジカメの300万画素クラスでは、横のドットが2000くらいで、これは銀塩の1/3程度です。ですから、1/3のサイズの120×80mm、つまりサービスサイズくらいまでなら、肉眼でまったく見分けがつかないことになりますが、A4以上だとバカ拡大となり、ボケた画像になります。

【表3】 35mm判銀塩カメラの解像力.

フィルムの解像力 100本/mm(ASA100)
レンズの解像力 100本/mm = 100 × 2 × 25.4 = 5080dpi
画 素 数 (36 × 200) × (24 × 200)
= 7200 × 4800 = 3460万画素
最大引伸し倍率 5080 / 508 = 10倍
     サイズ:360 × 240mm (A3程度)


5.出力装置の解像力(表4)  さて、一般のデジカメなり、顕微鏡デジカメなりで撮影した画像は、最終的に、プリンターを使って紙に印刷して肉眼で観察するか、フィルムレコーダーを使ってスライドを作りプロジェクターで映すことになります。

 インクジェット方式のプリンターの場合、注意しておきたいのは、カタログにあるdpiは文字などのような白黒2階調の解像力である、ということです。写真のように各色256階調の画像を表現するには256ドット、つまり16×16ドットが必要ですから、もっとも厳しい条件の場合、カタログの数値の1/16の解像力しか出ないことになります。
 一方、フジのピクトログラフィーは、200万円くらいするのですが、デジタル画像のプロなら、必ずといっていいいくらい使っている機械です。これはレーザー露光熱現像転写方式といいまして、レーザーで露光して、結局銀塩と同じ方式で発色をさせるものです。各ドットが256階調を表現できるので、カタログ通り400dpiの解像力が出ます。肉眼の解像力よりわずかに低い数値ですが、プロでもほとんど区別できないレベルです。A3一杯にプリントしますと、3000万画素になり、銀塩35mm版の情報をほぼ全部表現できます。
 フィルムレコーダーも、35mm版なみの画素数を表現できるに越したことはありません。解像度8kと呼ばれる機械は、理論的には8000×5300 = 4300万画素を表現できることになっています。私が使っている機械は、100万円クラスの機械なのですが、実測しますと、約半分の4k分の解像度、1200万画素程度しか出ていませんでした。
 ただし、のちほど、述べますように、光顕と走査電顕に関しては、この数値で十分なのです。また、透過電顕写真に使う場合でも、後ろの方の座席の人にとっては、この程度で十分なことは、さきほど述べた通りです。他にも、何機種か実測しましたが、ひどいのになるとカタログの数値の1/4の解像力しかない機種もありました。

【表4】 出力装置の解像度

◎プリンター
インクジェット方式 各ドットが2階調しかないので、256階調を表現するには
256ドット(16 × 16ドット)が必要
レーザー露光熱現像転写方式

(フジ ピクトログラフィー)

各ドット各色256階調あり、400dpiの解像力
400dpiでA3一杯にプリントすると、3000万画素
◎フィルムレコーダー
解像度8k 8000 × 5300 = 4300万画素
実測の結果 4000 × 2700 = 1000万画素程度


6.デジタルカメラの解像力の実測法と実測結果  次にデジタルカメラの解像力を実測する簡単な方法を紹介します。厳密な実測には、チャートを用いますが、もっと簡単にどんなサンプル画像からでも、おおまかな解像力を調べられる方法です。

 まず、画像の中心付近の細かいものが写っている部分を100×100 画素だけ切り取ります。その画像を6枚コピーします。次に、1枚目を見やすいように300×300 画素に拡大します。Photoshopなら画像解像度のコマンドを使います。2枚目の画像は、一旦80×80ピクセルに縮小したのち、再び、300×300 画素に拡大します。つまり、80%に間引きされた画像を作るわけです。次の画像は、63 画素、その次が50 画素、40、31というように、前の画像からさらに2割間引きした画像を作ります。  それらを、図1のように並べて、見比べます。最初の縮小率が小さいぶん、情報が失われますから、大きくボケます。最初の画像が十分シャープであれば、80%から、わずかにボケはじめますが、最初の画像がすでにボケていると、途中からボケ始めます。ボケ始める寸前の画像が、その画像が本来もっていた情報量を示します。
図1)  このスライドは、理想的な画像をつくって、それに対していま述べた処理を行ったものですから、80%からボケています。理想的な画像は、ある程度シャープなデジタル画像を大きく切り取って、それを1/3とか1/5とかに縮小して作ります。
 次に、この方法で一般のデジカメの解像力をはかった結果を見てみましょう。  図2は、少し前に200万画素クラスでよく売れた機種です。さきほどの理想画像と同じようなパターンでボケていきますから、カタログ通りの有効画素数をもつことがわかります。図3は、最近よく売れている機種で、実際の画素数は200万程度ですが、特殊な画素の配列から演算することによって、2倍の画素数を実現したとカタログでは謳っています。実測の結果は、50%から、ボケはじめますから、1辺あたりの画素数が63%しかないことになります。つまり0.63×0.63 = 約半分となり、実画素程度の解像力しかないことになります。
図2図3

7.光学顕微鏡の解像力(表5)  次に顕微鏡の解像力ですが、これは、対物レンズの開口数という数字で決まります。たとえば、4倍の対物レンズで最高の開口数は0.20で、このレンズの解像限界は、0.61という定数と、光の波長0.55μmを掛けて、開口数で割った答え、1.68μmになります。銀塩で撮影する場合、接眼レンズの2.5倍をさらに掛けて総合倍率が10倍となり、フィルム面での解像限界が( )内のようになりまして、1mmつまり1000μmを( )で割ると解像力は59本/mmとなります。dpiで表すと3000dpi、画素数で表すと1200万画素となり、フィルムに十分記録できる情報量です。

 光顕の開口数は最高1.4で、解像限界は0.24μmです。60倍のレンズですので、フィルム面では28本/mm、1420dpi、270万画素と、かなり低い数字になります。フィルムの性能から見ると、一種のバカ拡大です。このように、光顕では、倍率が高くなると、視野あたりの情報量は減ることになります。
 さて、光顕用デジタルカメラの場合、銀塩と同じ広さの視野を撮影できて、この1200万画素の情報量を記録できれば、いいわけです。

 【表5】 光学顕微鏡の解像力と解像限界

光学顕微鏡の解像力
対物レンズの開口数(N.A.)で決まる.
◎PlanApo 4 × N.A. 0.20 の解像限界 0.61 × 0.55 / 0.20 = 1.68μm
フィルム面での解像力
1000 / (1.68 × 4 × 2.5) = 59本/mm
59 × 2 × 25.4 = 3000dpi
画  素  数
(36 × 2 × 59) × (24 × 2 × 59) =
4300 × 2800 = 1200万画素
◎PlanApo 60 × N.A. 1.40 の解像限界 0.61 × 0.55 / 1.40 = 0.24μm
フィルム面での解像力
1000 / (0.24 × 60 × 2.5) = 28本/mm
25.4 × 28 × 2 = 1420dpi
画  素  数
(36 × 2 × 28) × (24 × 2 × 28) =
2000 × 1300 = 270万画素

8.光顕デジカメの実測結果  図4の機種は、実際の画素数は130万画素ですが、画素ずらしという方法で、1200万画素を実現したとカタログでは謳っています。同じ方法で実測した結果、31%でボケ始めますから、40%つまり、0.4×0.4で200万画素程度の解像力しかないことが分かります。原因としては、画素ずらしが有効に機能していない、光学系の収差、などが考えらます。また、視野率が銀塩の70%しかありませんでしたので、これはかなり不利です。(図4)

 しかも、大きく拡大してコントラストを強調してみると、1画素おきに格子模様が見られます(図5)。つまり、ずらして撮った画像の合成がうまくいってないようです。ちなみに、左の画像は、理論的な分解能から期待される像を示しています。(図5)

 300万円以下の主な機種は、ほとんどテストしましたが、他の機種でもカタログの画素数に近い解像力が出た機種はほとんどありませんでした。唯一の例外は、(7200×5000 =)3600万画素のラインスキャン方式のデジカメで視野率も90%以上あり、解像力も理論通り出ていました(図6)。ただし、スキャン方式で撮影に時間がかかるので、購入は見送りました。(図6)/1.1M,(図6)/312K

9.走査電子顕微鏡写真のデジタル入力  次に走査電子顕微鏡写真のデジタル入力ですが、電子顕微鏡は、桁違いに高い解像力をもっていますから、低めの倍率では、画像記録の段階で、視野あたりの情報量が決まります。走査電顕はもともとデジタル信号で、それを直接デジタル入力する装置があります。図7は、これを使って撮ったカイコガの頭部です。左下は、部分拡大で、その横は80%の間引き画像ですが、すでにボケはじめています。ですから、カタログ通り、確実に(2560×2043 =)523万画素の解像力が出ています。しかも、銀塩の解像度より、5割ほど高いという結果が出ました。原因は、銀塩で使われる撮影用モニターのビームのボケと思われます。(図7)/1M,(図7)/312K

10.透過電子顕微鏡写真のデジタル入力  透過電子顕微鏡も、画像記録の段階で、視野あたりの情報量が決まります。従来、透過電顕写真は、大判の銀塩フィルムに撮影していました。画面のサイズは76×111mmです。フィルムの解像力を50本/mmと低めに見つもっても2500dpi、8000万画素以上になります。透過電顕用デジタルカメラとしてImaging Plateというのがあります。これは(25μm、20本/mm、1000dpi) 3000×3780 = 1000万画素で、これでは全ての情報を、とても表現できません。部分拡大や、大のばしをするなら、フィルムスキャナーを使うしかありません。その場合、大判が読み込めて、2500dpi程度の解像力を必要とします。


11.フィルムスキャナー  図8は、200万円クラスの5720dpiのスキャナーで入力したものです。右下の80%間引き画像がぼけていますから、解像力もちゃんと出ています。数万円クラスの民生品も最近は大判フィルムを取り込める1000dpi以上の機種が出てきました。その中で、画素ずらしに似た方式で、2倍のdpiを実現した機種がいくつかあります。そのひとつを測定しましたが、半分の解像力しか出ていませんでした。(図8)/1.7M ,(図8)/312K

12.結果のまとめ  以上見てきましたようにデジカメ、フィルムスキャナー、プリンター、フィルムレコーダーと、あらゆるデジタル機器の解像力は、実際にはカタログの数値を大幅に下回ることがあることが分かりました。特に、実画素数が小さいのに、大きな出力画素数を誇る機種は要注意です。皆さんも十分注意して、性能チェックをしてから購入し、研究費(もとはといえば税金の場合が多いですから)の無駄遣いにならないよう努めましょう。


13.デジタル化の利点と欠点  さて、銀塩の解像力になかなか追いつかないデジタルに、なぜ、そこまでこだわるのか、といいますと、それなりの利点があるからです。また表6のような欠点もあります。皆さんも、利点と欠点を吟味した上でデジタル化を進められたらいいと思います。


【表6】 デジタル化の利点と欠点.

◎デジタル化の利点 ・階調(明るさ、コントラスト、色) 階調補正が容易
プリントの再現性がよい
銀塩では不可能な補正パターンが可能
・即時性 撮ってすぐ見れるので、失敗を防げる
暗室作業や現像所に出す時間を節約できる
・経済性 失敗作にコストがかからない
大容量メディアに保存すれば場所をとらない
・ノイズ 特に冷却CCDを使えばノイズが少ない
・キズ、ゴミ、ムラ、カビ、退色 ないか、あっても補正が容易
・加 工 スケール、レタリング、組写真などが容易
・画像解析 面積などの測定、立体再構築
・通 信 HPに載せる、メールで送るなど
◎デジタル化の欠点 ・経済性 機器が高価
・即時性 検索が遅い
・保存性

安全性確保の問題

・著作権の倫理 加工・改竄が容易


【表1】 解像限界・解像力・分解能の定義.