ＳＭＡＲＴＰＨＯＮＥ

スマートフォンのカメラとセンサー
大阪市立科学館 長谷川 能三
総務省の情報通信白書によると、２０１０年にはわずか９.７％だったスマートフォンの世帯普及率が、３年後の２０１３年には６２.６％、そして２０２１年には８８.６％と増えています（世帯普及率ですので、自分は持っていなくても家族の誰かは持っているという世帯の割合です）。私自身は２０１１年から使い始めましたので、普及率が高くなっていったのとほぼ同じ時期ですね。
携帯電話とスマートフォンの大きな違いは、さまざまなアプリがあって、それをインストールすればいろいろなことができるということですが、いろいろなことをするために、スマートフィン本体には高性能のカメラやさまざまなセンサーなどが付いています。
１．カメラ
カメラが付いた携帯電話が発売されたのは１９９９年。２００１年頃からは携帯電話で撮った写真をメールに添付して送る「写メール」でカメラ付き携帯電話が一般的になっていきました。しかしまだカメラの性能は低く、同時期のデジタルカメラとは画質に大きな差がありました。それに対して、現在のスマートフォンに付いているカメラは高性能で、デジタルカメラで写したのかスマートフォンで写したのか、なかなかわからなくなっています。
薄いスマートフォンの中に収めて、かつ高性能にするために、最近のスマートフォンにはカメラが複数（２～４個）付いているものが増えています。これは、広角担当のカメラ、標準担当のカメラ、望遠担当のカメラ…と分け、それぞれの担当範囲に特化することで性能を高めているのです。それでも、ズームをしたときにはデジタルズーム（写っている範囲の一部を切り出して大きくする）とカメラの切り替えが自動的に行なわれるため、使っている私たちはカメラが複数付いていることをあまり意識することはありません。
このようにカメラを分けることにより、広角レンズの写る範囲が非常に広くなっていて、焦点距離が１３ｍｍ相当（３５ｍｍ版換算）くらいのものが増えてきています。これは、上下（長い方）の画角が１００度を超えていますので、画角の下の方に水平線を入れても、一番上は頭の真上を超えて少し後ろまで写ってしまうことになります。また、虹は半径４２度ととても大きいため、超広角レンズか魚眼レンズでないと全体を写すことができなかったのですが、毎日持ち歩くスマートフォンで撮影できてしまうようになったのです。

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図１．スマートフォンで撮影した虹（写真提供：山本光一氏）

一方、望遠の方は、レンズの焦点距離を長くすると、どうしてもカメラそのものが長くなりがちであるため、薄いスマートフォンの中に収めるのに限界がありました。しかし最近では、ペリスコープカメラという先端に９０度光路を曲げるプリズムを付けたカメラを、本体の中に横向きに収めたスマートフォンが登場しました。これにより、焦点距離がこれまでより長いレンズを用いることができるため、スマートフォンで月のクレーターまで写すことができるようになってきています。
まだこのような望遠レンズを内蔵したスマートフォンは極一部ですが、スマートフォンのレンズ部分に取り付ける望遠レンズアダプターや広角レンズアダプターなども売られていますので、必要に応じて利用するという方法もあります。同じようにレンズの部分に取り付ける顕微鏡アダプターもあり、小さなものを拡大して撮影することもできます。

図２．顕微鏡アダプターを付けて撮影した５００円硬貨の「Ｎ」「Ｉ」「Ｐ」「Ｐ」「Ｏ」「Ｎ」

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一方、カメラのフィルムにあたる撮像素子（イメージセンサー）には、一般にＣＣＤかＣＭＯＳといわれるものが使われます。ＣＣＤは画質が高く、ＣＭＯＳは製造コストが安くて消費電力も少ないというのが特徴でした。当初、携帯電話のカメラではＣＭＯＳが、デジタルカメラではＣＣＤが使われることが多かったのですが、ＣＭＯＳが高画質化され、今ではＣＭＯＳが一般的となっています。
ＣＣＤでもＣＭＯＳでもきれいに写ればどちらでも…ということなのですが、速く動いているものを撮影した場合には、大きな違いが出ることがあります。それは、ＣＣＤは画面全体を同時に撮影するのに対して、ＣＭＯＳは端から順に撮影しているからです。
このため、例えば走っている電車を写すと、電車の車両が斜めにゆがんで写ったり、カメラの向きによっては進行方向に伸びたり縮んで写ることがあります。図３は、飛んでいる飛行機のプロペラを撮影したもので、ＣＣＤを使ったデジタルカメラではプロペラの羽根はまっすぐに写っていますが、ＣＭＯＳを使ったスマートフォンのカメラではプロペラの羽根が曲がったりちぎれているかのように写ってしまいました。

図３．ＣＣＤ（左）とＣＭＯＳ（右）を使用したカメラで撮影した飛行機のプロペラ

また、スローモーション撮影ができるスマートフォンも多くなっています。図４は、お皿の上に牛乳をポタッ…ポタッ…と落としているのをスローモーションで撮影 し た も の です。撮影した動画からミルククラウンになった瞬間をスクリーンショットで静止画にしました。１回ではうまくいきませんでしたが、スローモーシ
ョンで何度 か 撮 影 す る こ と で、スマートフォンでもこのような写真を撮ることができるのです。

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図４．ミルククラウン

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図５は、手持ちで蛍を撮影したもので、蛍だけではなく、北斗七星などの星もたくさん写っています。長時間露出をすると星がぶれてしまいますが、どうやら短時間露出の写真をたくさん撮影して、これらの写真を手振れを考慮した上で重ねて合成する…ということを、最近のスマートフォンは自動でしているようです。
この写真は手持ちで撮影したものです
が、スマートフォンを台などの上に置いてセルフタイマーで撮ると、もっときれいに星を写すことができます。
図５．手持ちで撮影した蛍と星空

２．気圧センサー
スマートフォンにはさまざまなセンサーが内蔵されていますが、その中のひとつに気圧センサーがあります。「気圧」や「ｂａｒｏｍｅｔｅｒ」というキーワードでアプリを検索すると、気圧を表示したりグラフを描くアプリがたくさんでてきます。
図６は、２０１８年９月４日の気圧の変化で、この日は台風３１号が徳島県に上陸、その後神戸市付近に再上陸しました。バックグラウンドでデータを記録するアプリが見つからなかったため所々データが抜けていますが、気圧の変化がよくわかります。
このように、気圧センサーによってもちろん気象状況による気圧の変化を調べることができるのですが、気圧センサーの役目はそれだけではありません。

図６．台風接近時の気圧の変化（２０１８年９月４日）

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図７．スマーフォンを１ｍ上下させたときの気圧の変化

気 圧 を 表 示 す る ア プ リ で は、気 圧 が な ん と０.０１ｈＰａ（ヘ ク ト パ ス カ ル）や０.００１ｈＰａ刻みで表示されます。図７は、スマートフォンを１００秒毎に床に置いたり１ｍの高さの棚に置いたりした時の気圧の変化を「ｐｈｙｐｈｏｘ」というアプリで記録したものです。全体的に気圧が少しずつ高くなっているのかなという傾向や細かな変動がありますが、１００秒毎に気圧が０.１ｈＰａ程度上下しているのがわかります。ちなみに、気圧が高い方が床に置いたとき、気圧が低い方が１ｍの高さに置いたときです。
そもそも気圧は、その上にある空気の重さによるものです。固いものが上に乗っていると上からしか押さえつけられませんが、空気や水のように流動性があると、上に乗っているものの重さで、上からだけでなく横からでも下からでも押されます。これが気圧や水圧なのですが、高さが１ｍ変わったくらいで気圧は変わるのでしょうか？
１ｈＰａは、１ｃｍ×１ｃｍの面に０.０１Ｎ（ニュートン）という大きさの力がかかっている場合の圧力で、０.０１Ｎは約１.０２ｇのものが乗って、その重さで押されているのと同じです。気圧が０.１ｈＰａ程度変化したということは、１ｃｍ×１ｃｍの面積の上に乗っている空気の質量（重さ）が０.１ｇ程度変わったということになります。１ｃｍ×１ｃｍの面積で１ｍの高さの差だと、乗っている空気の量が１００ｍＬ変わるということになりますから、この空気１００ｍＬが０.１ｇ程度ということでしょうか？
空気の質量は１ｍｏｌ（窒素分子や酸素分子等を合わせて約６×１０２３個）で２９.５ｇになります。この１ｍｏｌの空気の体積は、０℃１気圧で２２.４Ｌです。つまり、空気は１００ｍＬで０.１３ｇくらいということになりますので、図７の気圧の変化とほぼ一致するのです。
ただし、気圧はこのように気象状況と高度によって変化するため、気圧を表示する
アプリでは、スマートフォンの位置の気圧と、海抜０ｍでの気圧の両方が表示されたり選択するようになっています。しかし海抜０ｍの気圧は、スマートフォンの位置（高度）情報から計算するため、気圧の値が急に変わることが多いのでご注意ください。

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３．各種センサーと「ｐｈｙｐｈｏｘ」
スマートフォンには他にもさまざまなセンサーが組み込まれていて、これらのセンサーのデータを組み合わせて利用しているアプリも多いのです。例えば、ヘルスケアというアプリで上がった階数が表示されるのですが、気圧の変化だけでなく、おそらく振動センサーや加速度センサーのデータから、エスカレーターを使っているのではな
く階段を歩いて上っていることを判断しているのでしょう。
図７は、このような元になるセンサーのデータをほぼ生で表示する「ｐｈｙｐｈｏｘ」というアプリを使用していて、センサー出力に「ｇを含まない加速度」「ジャイロスコープ（回転速度）」「位置（ＧＰＳ）」「圧力」「磁力計」「重力加速度ｇを含む加速度」という項目があります（図８）。また、この「ｐｈｙｐｈｏｘ」は、測定した値をｃｓｖやエクセルのファイルで出力することができるので、パソコンに転送してデータを利用することもできます。

図８．ｐｈｙｐｈｏｘ

図９．ＪＲと阪神電車の普通電車の加速度

例えば図９は、電車が駅を発車してから次の駅に着くまでの加速度を測定したもの
で、赤色がＪＲの普通電車、青色が阪神電車の普通電車（ジェットカー）です。こうして測定すると、駅間の短い阪神電車は加速度が大きいのがよくわかります。ただ、電車が停止（ＪＲは１４１秒後、阪神電車は５４秒後）しても加速度の測定値が０にならず、ダラダラと下がっているのは変ですね。そもそもスマートフォンのセンサーは物理的な測定を目的にしたものではありませんので、その特性や精度がどうなっているのかはわかりません。しかし、ＪＲと阪神で加速度が大きく違うことはこれでもわかりました。
ここで紹介したのは、スマートフォンの特徴や機能のほんの一部にしか過ぎません。これだけの性能のカメラを毎日持ち歩いているだけでも、何か珍しい現象に遭遇したらすぐに写真に撮ることができます。他にもさまざまなアプリやスマートフォンに接続する測定機などもありますので、新しい使い方のきっかけになればと思います。
（はせがわ よしみ・大阪市立科学館 学芸員）

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