ソニーは、微小画素と裏面照射型技術の組み合わせにより、画質を損なうことなくコンパクトなセンサーサイズで高解像度化を実現した第4世代 Pregius センサーを Pregius S として展開しています。とはいえ、最新世代だからといって従来世代を選択肢から外すべきとは限りません。本稿では、各世代の強みを掘り下げて解説します。 Sony 第4世代 Pregius S:イメージセンサーの次なる進化か? Lucid Tech Brief Sony Pregius S 4th Generation Sensors

Sony 第4世代「Pregius S」:イメージセンサーの次なる進化か?

小型ピクセルと裏面照射(BSI)技術の採用により、Sonyは第4世代Pregius「Pregius S」で、画質を維持したままコンパクトなセンサーサイズで高解像度化を実現しました。では最新世代があれば従来世代は不要なのでしょうか。各世代の強みを掘り下げてご紹介します。

はじまり

2013年、Sonyは初代Pregius CMOSセンサー「2.3MP IMX174」を発表しました。登場以前は、CCDが高解像度と高画質、グローバルシャッターで市場をリードしていました。CMOSは価格とフレームレートに優れる一方、画質が劣りローリングシャッターのみでした。IMX174の登場が状況を一変させます。IMX174は量子効率の向上、広いダイナミックレンジ、低い読み出しノイズにより画質を高め、さらにグローバルシャッターと当時の同等CCDを上回る高フレームレートを実現しました。以降、グローバルシャッターPregiusは4世代へ拡大し、用途に応じた幅広い選択肢が揃っています。

Sony Pregius CMOSは現在4世代まで展開され、第4世代は「Pregius S」としてブランド化されています。各世代は前世代から改良を重ねていますが、用途によっては旧世代の特長が有利に働く場合もあります。必要とする解像度、フレームレート、画質特性、センサーフィーチャーに応じて、最適な世代は変わります。

第4世代 Pregius S センサー搭載 Triton モデル:

ModelsMPResolutionFake FPSFPSSensorFormatPixel SizeShutterLens MountChromaInterface
TRI245S24.5 MP5320 x 4600 px14.9 fpsSony IMX540 CMOS4/3"2.74 µmGlobalCMono / ColorM12 GigE Vision
TRI204S20.4 MP4510 x 4510 px26 fpsSony IMX541 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / ColorM12 GigE Vision
TRI162S16.2 MP5320 x 3040 px47.5 fpsSony IMX542 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / ColorM12 GigE Vision
TRI124S12.3MP4096 x 3000 px59.5 fpsSony IMX545 CMOS1/1.1"2.74 µmGlobalCMono / ColorM12 GigE Vision
TRI081S8.1 MP2840 x 2840 px614.8 fpsSony IMX546 CMOS2/3″2.74 µmGlobalCMono / ColorM12 GigE Vision
TRI051S 5.0 MP2448 x 2048 px724 fpsSony IMX547 CMOS1/1.8″2.74 µmGlobalCMono / ColorM12 GigE Vision

第4世代 Pregius S センサー搭載 Triton2 2.5GigE モデル:

ModelMPResolutionFPSSensorFormatPixel SizeShutterLens MountChromaInterface
TRT245S24.5 MP5320 x 4600 px11.3 fpsSony IMX540 CMOS1.2"2.74 µmGlobalCMono / Color2.5GigE M12
TRT204S20.4 MP4504 x 4504 px13.5 fpsSony IMX541 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color2.5GigE M12
TRT162S16.2 MP5320 x 3040 px17.5 fpsSony IMX542 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color2.5GigE M12
TRT124S12.3 MP4096 x 3000 px21.7 fpsSony IMX545 CMOS1/1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color2.5GigE M12
TRT081S8.1 MP2840 x 2840 px31.8 fpsSony IMX546 CMOS2/3″2.74 µmGlobalCMono / Color2.5GigE M12
TRT051S5.0 MP2448 x 2048 px49.2 fpsSony IMX547 CMOS1/1.8″2.74 µmGlobalCMono / Color2.5GigE M12

第4世代 Pregius S センサー搭載 Triton10 10GigE モデル:

ModelMPResolutionFPSSensorFormatPixel SizeShutterLens MountChromaInterface
TRX245S24.5 MP5320 x 4600 px35.5 fpsSony IMX530 CMOS1.2"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX246S24.5 MP5320 x 4600 px28.6 fpsSony IMX540 CMOS1.2"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX204S20.4 MP4504 x 4504 px42.8 fpsSony IMX531 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX205S20.4 MP4504 x 4504 px33.9 fpsSony IMX541 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX162S16.2 MP5320 x 3040 px53.0 fpsSony IMX532 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX163S16.2 MP5320 x 3040 px42.8 fpsSony IMX542 CMOS1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX124S12.3 MP4096 x 3000 px89.7 fpsSony IMX535 CMOS1/1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX125S12.3 MP4096 x 3000 px54.9 fpsSony IMX545 CMOS1/1.1"2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX081S8.1 MP2840 x 2840 px129.8 fpsSony IMX536 CMOS2/3″2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12
TRX051S5.0 MP2448 x 2048 px208.6 fpsSony IMX537 CMOS1/1.8″2.74 µmGlobalCMono / Color10GigE M12

第4世代 Pregius S センサー搭載 Atlas IP67 5GigE モデル:

ModelsMPResolutionFake FPSFPSSensorFormatPixel SizeShutterLens MountChromaGigE Vision Interface
ATP245S24.5 MP5320 x 4600 px122.7 fpsSony IMX540 CMOS4/3"2.74 µmGlobalC-mountMono / Color5GBASE-T, M12
ATP204S20.4 MP4504 x 4504 px227.3 fpsSony IMX541 CMOS1.1"2.74 µmGlobalC-mountMono / Color5GBASE-T, M12
ATP162S16.2 MP5320 x 3032 px434.4 fpsSony IMX542 CMOS1.1"2.74 µmGlobalC-mountMono / Color5GBASE-T, M12
ATP124S12.3 MP4096 x 3000 px542.5 fpsSony IMX545 CMOS1/1.1"2.74 µmGlobalC-mountMono / Color5GBASE-T, M12
ATP081S8.1 MP2840 x 2840 px868.8 fpsSony IMX546 CMOS2/3″2.74 µmGlobalC-mountMono / Color5GBASE-T, M12
ATP051S5.0 MP2448 x 2048 px10110 fpsSony IMX547 CMOS1/1.8″2.74 µmGlobalC-mountMono / Color5GBASE-T, M12

第4世代 Pregius S センサー搭載 Atlas10 10GigE モデル:

ModelMPResolutionFPSSensorFormatPixel SizeShutterLens MountChromaInterface
ATX245S24.5 MP5320 x 4600 px45.4 fpsSony IMX530 CMOS1.2"2.74 µmGlobalTFL / C-MountMono / Color10GBASE-T, M12
ATX204S20.4 MP4504 x 4504 px54.1 fpsSony IMX531 CMOS1.1"2.74 µmGlobalC-MountMono / Color10GBASE-T, M12
ATX162S16.2 MP5320 x 3032 px76.1 fpsSony IMX532 CMOS1.1"2.74 µmGlobalC-MountMono / Color10GBASE-T, M12
ATX124S12.3 MP4096 x 3000 px89.7 fpsSony IMX535 CMOS1/1.1″2.74 µmGlobalC-MountMono / Color10GBASE-T, M12
ATX081S8.1 MP2840 x 2840 px136.7 fpsSony IMX536 CMOS2/3″2.74 µmGlobalC-MountMono / Color10GBASE-T, M12
ATX051S5.0 MP2448 x 2048 px205 fpsSony IMX537 CMOS1/1.82.74 µmGlobalC-MountMono / Color10GBASE-T, M12

LUCIDカメラで第4世代Pregiusの機能へアクセスする手順をお探しですか?サポートサイトのKB記事 New 4th Gen Pregius Features を参照し、LUCIDのArenaViewでの操作方法をご確認ください。

Sony 第4世代Pregius S:裏面照射(BSI)

フォトダイオードをマイクロレンズに近づけることで入射角が広がり、光の集光効率が向上します。 2.74µmの小型画素により、より小さなセンサーサイズで高解像度を実現します。 配線や回路層をフォトダイオードの下に配置することで障害を減らし、光の取り込みを改善します。 Sony BSI ピクセル構造 従来のピクセル構造 Wider angle for light entry Back Illuminated Pixel structure Sony Microlens for Pregius S IMX530 Wiring Layer 2 IMX530 Wiring Layer 2 IMX540 Wiring Layer Backsided illuminated Sensor

入射角の許容拡大=感度の向上

ピクセルが小さくても、第4世代Pregius Sは入射角特性の改善により同等の感度を維持します。例えば±20°では、第2世代は到来光の10%しか受光しませんが、第4世代は40%を受光します。これは第4世代でマイクロレンズとフォトダイオード表面の距離が大幅に短縮されたためです。

2nd Gen Pregius (3.45µm) 4th Gen Pregius S (2.74µm) Sony-Pregius-4th-Gen-Incident-Angle-graph Sony-Pregius-4th-Gen-Incident-Angle-results Sony-Pregius-3rd-Gen-Incident-Angle-results

解像度:High Speed と Standard Speed

初代は1種類の解像度(1936 × 1216、2.3MP)のみで、High SpeedとStandard Speedの2バリエーションがありました。High SpeedのIMX174は最大166 FPS、Standard SpeedのIMX249は41 FPSです。Standardは価格を抑える代わりに最大フレームレートやADC、ビニング、ROIが制限されますが、画質はHighと同等です。この方針は以降の世代・機種でも継続されています。

以下の一覧とプロットは、各世代の有効画素数と最大フレームレートの関係を俯瞰したものです。同一解像度・速度帯で世代間の重なりが見られる場合もありますが、ピクセル技術の違いを理解することで選定理由が明確になります。

第1世代

High Speed Standard Speed
IMX174 (2.3MP @ 166 FPS) IMX249 (2.3MP @ 41 FPS)

* 注:本チャートの最大フレームレートはSonyのセンサー仕様に基づきます。多くのHigh Speedは8ビット時の最大値、Standardは10/12ビット時の最大値です。実際の値はビット深度、カメラメーカー、インターフェース帯域、接続台数により変動します。

第2世代

High Speed Standard Speed
IMX342 (31.4MP @ 35 FPS)
IMX367 (19.6MP @ 43 FPS)
IMX387 (16.9MP @ 61 FPS)
IMX253 (12.3MP @ 68 FPS) IMX304 (12.3MP @ 23 FPS)
IMX255 (8.9MP @ 94 FPS) IMX267 (8.9MP @ 32 FPS)
IMX250 (5.0MP @ 163 FPS) IMX264 (5.0MP @ 36 FPS)
IMX252 (3.2MP @ 216 FPS) IMX265 (3.2MP @ 56 FPS)
IMX392 (2.3MP @ 200 FPS)
IMX273 (1.6MP @ 276 FPS) IMX296 (1.6MP @ 60 FPS)
IMX287 (0.4MP @ 523 FPS) IMX297 (0.4MP @ 121 FPS)

第3世代

High Speed Standard Speed
IMX420 (7.1MP @ 207 FPS) IMX428 (7.1MP @ 35 FPS)
IMX421 (2.8MP @ 409 FPS) IMX429 (2.8MP @ 43 FPS)
IMX422 (2.0MP @ 477 FPS) IMX430 (2.0MP @ 132 FPS)
IMX425 (1.7MP @ 662 FPS) IMX432 (1.7MP @ 98 FPS)

第4世代

High Speed Standard Speed
IMX530 (24.5MP @ 106 FPS) IMX540 (24.5MP @ 35 FPS)
IMX531 (20.4MP @ 109 FPS) IMX541 (20.4MP @ 42 FPS)
IMX532 (16.2MP @ 159 FPS) IMX542 (16.2MP @ 52 FPS)
IMX535 (12.4MP @ 184 FPS) IMX545 (12.4MP @ 68 FPS)
IMX536 (8.1MP @ 194 FPS) IMX546 (8.1MP @ 91 FPS)
IMX537 (5.1MP @ 259 FPS) IMX547 (5.1MP @ 122 FPS)

Sony Pregius 各世代:メガピクセル vs 最大フレームレート プロット
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Pregius MP models vs Max FPS

最適化の要点:ピクセルサイズと画質

世代差の多くはピクセルサイズとピクセル技術に起因します。各世代のピクセルピッチは、1世代目5.86µm、2世代目3.45µm、3世代目4.5µm、4世代目2.74µmです。ピクセルピッチは同サイズのセンサーに収まる画素数を左右し、同時に画質特性も変化します。各世代はフルウェル容量、読み出しノイズ、ダイナミックレンジ、量子効率(QE)のプロファイルが異なります。一般にピクセルが大きいほどフルウェル容量は増え、ダークノイズも増えます。例として、1世代目は平均フルウェル容量33000e−と最も大きい一方、平均ダークノイズは7e−で最大です。最小ピクセルの4世代目は平均フルウェル容量9500e−、平均ダークノイズ2.1e−です。フルウェルとノイズの比例関係により、ピクセルサイズが異なっても各世代のダイナミックレンジは概ね70 dBを維持します。

Average EMVA1288 results between Pregius Generations

EMVA1288平均値とピクセルサイズの比較
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Pregius
世代
ピクセルサイズ
平均
フルウェル容量
フルウェル容量
(e-/µm^2)
平均
読み出しノイズ
平均
ダイナミックレンジ
1st Gen: 5.86µm 33000 e- 961 7 e- 70 dB
2nd Gen: 3.45µm 10500 e- 882 2.3 e- 71 dB
3rd Gen: 4.5µm 25000 e- 1235 5.5 e- 72 dB
4th Gen: 2.74µm 9500 e- 1265 2.1 e- 71 dB

4世代のQE(量子効率)平均を比較すると顕著な差が見られます。1世代目は480〜540nmで高いピークQEを示します。2世代目はピークが低下する一方、600nm以降の効率が改善。3世代目は全域で効率が向上し、近赤外(700〜900nm)で最良の特性を示します。4世代目はピークQEが1世代目に近く、その他の波長域では1世代目と3世代目の中間的な性能です。QEグラフから、世代が新しいほど必ずしも一律に性能が向上するわけではないことが分かります。

Average EMVA1288 results between Pregius Generations

各世代の平均量子効率(QE)
詳細表示や曲線のオン/オフは凡例で切替

注:QE比較グラフの結果は、カバーガラス付き産業用カメラを対象としたEMVA 1288試験に基づきます。

センサーサイズとアスペクト比

小型ピクセルの利点は、同一センサーサイズでより多くの画素を提供できる点です。これによりカメラはコンパクトなまま、CマウントやNF、Sマウントなど小型光学系を活用できます。例えばType 1.1″における最大画素数は、ピクセルが小さくなるほど増加します。3世代目(4.5µm)は7.1MP、2世代目(3.45µm)は12.3MP、4世代目(2.74µm)は20MPです。用途によっては同じセンサーサイズ内で高解像度機に置き換えても、光学系を流用できる場合があります。別サイズへ変更する場合は、光学ハードウェアの再設計が必要になることがあります。

以下のチャートは、各Pregiusモデルのメガピクセルとセンサーサイズの関係を示します。第4世代は多くのサイズで解像度を引き上げています。

Sensor sizes of Pregius generations

Pregius:センサーサイズ vs メガピクセル
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Gen 1 Gen 2 Gen 3 Gen 4

 

アスペクト比とセンサーサイズの比較

4th Gen Pregius S 1st Gen Pregius 2nd Gen Pregius 3rd Gen Pregius Sony 1st Generation Aspect Ratios Sony 2nd Generation Aspect Ratios Sony 4th Generation Aspect Ratios Sony 4th Gen

Pregiusのアスペクト比は世代ごとに大きく異なり、各世代で複数の比率が用意されています。最も一般的なのは4:3で、横幅が常に高さより33%広い標準的なランドスケープです。第4世代は1:1、5:4、4:3、16:9と2番目に多い構成、最も多いのは第2世代で1:1、5:4、4:3、16:10、16:9、17:9を提供します。合計7種類の比率が揃い、スクエアからワイドまで幅広いアプリケーションに対応します。

アスペクト比とメガピクセル一覧
Square
1:1
5:4 4:3 16:11 16:10 16:9 Widescreen
17:9
20.4 MP IMX531 5.0 MP IMX250 31.4 MP IMX342 7.1 MP IMX420 2.3 MP IMX392 16.8 MP IMX387 8.9MP IMX255
20.4 MP IMX541 5.0 MP IMX264 24.5 MP IMX530 7.1 MP IMX428 2.3 MP IMX174 16.2 MP IMX532 8.9MP IMX267
19.6 MP IMX367 5.1 MP IMX537 24.5 MP IMX540 1.7 MP IMX425 2.3 MP IMX249 16.2 MP IMX542
8.1 MP IMX536 5.1 MP IMX547 12.4 MP IMX535 1.7 MP IMX432
8.1 MP IMX546 2.8 MP IMX421 12.4 MP IMX545
2.8 MP IMX429 12.3 MP IMX253
12.3 MP IMX304
3.2 MP IMX252
3.2 MP IMX265
2.0 MP IMX422
2.0 MP IMX430
1.6 MP IMX273
0.4 MP IMX287

センサーフィーチャー:進化し続ける機能

初代以降、Sonyは多彩なオンセンサー機能を継続的に拡充してきました。第4世代では、デュアルADCのオンセンサー合成によるHDR、2µsec間隔の連続シャッター、露光時間モニタリングなどが新機能です。新規機能は新しい撮像モードを提供し、既存機能は効率や実用性が強化されています。例えば第3世代のSelf Triggerは、指定したROIの変化検出でカメラをトリガでき、従来は外部デバイスや専用ソフトが必要でした。デュアルADCも第3世代で導入済みでしたが、HDR合成はISPやホストPC側で処理する必要がありました。第4世代では合成をセンサー上で完結させ、リソースを節約しワークフローを簡素化します。

以下の機能はカメラメーカーによる実装任意のため、ユーザーが利用できない場合があります。LUCIDは今後、オンカメラのファームウェア更新により、これら有用な機能のサポートを順次拡大します。

Multi-frame ROI mode Set multiple ROIs within the full resolution Multi-exposure trigger Set multiple exposure times within one image frame. Global shutter CMOS Distortion free imaging with high image quality and improved low light performance Self trigger Set two ROIs - one for image capture which is triggered when the 2nd ROI detects changes in its region Short exposure mode Set short exposure times as fast as 2µsec Dual ADC A low gain and high gain image is taken on the same frame. Output can be combined on camera ISP On-Sensor Conversion Gain High Gain for maximum sensitivity and minimum read noise (best for low light) and Low Gain for increased saturation capacity and dynamic range (best for bright light) Dual trigger Set two different levels of exposure and gain. Each can be triggered independently Dual ADC w/ on-sensor combination A low gain and high gain image is taken (on the same frame) and combined to produce an HDR image Ultra short shutter interval The time between shutters can be set as fast as 2µsec Exposure time monitoring Output a signal that mirrors the actual input trigger for an exposure. Improved On-sensor thermometer A higher accuracy thermometer for better thermal management Improved features to increase user efficiency and functionality New and unique imaging modes for users. 4th Generation 1st Generation 2nd Generation 3rd Generation Multi-frame ROI mode Set multiple ROIs within the full resolution Global shutter CMOS Distortion free imaging with high image quality and improved low light performance Multi-exposure trigger Set multiple exposure times within one image frame. Short exposure mode Set short exposure times as fast as 2µsec Dual ADC A low gain and high gain image is taken on the same frame. Output can be combined on camera ISP Dual trigger Set two different levels of exposure and gain. Each can be triggered independently Self trigger Set two ROIs - one for image capture which is triggered when the 2nd ROI detects changes in its region Exposure time monitoring Output a signal that mirrors the actual input trigger for an exposure. Improved On-sensor thermometer A higher accuracy thermometer for better thermal management Ultra short shutter interval The time between shutters can be set as fast as 2µsec Dual ADC w/ on-sensor combination A low gain and high gain image is taken (on the same frame) and combined to produce an HDR image On-Sensor Conversion Gain High Gain for maximum sensitivity and minimum read noise (best for low light) and Low Gain for increased saturation capacity and dynamic range (best for bright light) Sony IMX530 CMOS
Sensor Feature 1st Gen 2nd Gen 3rd Gen 4th Gen Comments
Multi frame set
2f

2, 4f

2, 4f

2, 4f
#f = Set frame number
Multi exposure trigger    
Low power consumption   Updated for 4th Gen
ROI mode
(4x4)

(8x8)

w/ overlap, (8x8)

w/ overlap, (8x8)
(#x#) = High speed version
Multi frame ROI mode  
Thermometer  
Gradation compression   = High speed only
Short exposure mode    
Self trigger     = High speed only
Dual trigger     = High speed only
On-sensor conversion gain        
Dual ADC     = High speed only
Dual ADC with on-sensor combination NEW       = High speed only
Short shutter interval NEW        
Exposure time monitoring NEW        
I2C slave address 3 3 3 9 # = I2C slave address number

Pregius性能を最大化するために

カメラメーカーの設計・製造判断は、最終的な画質とセンサー性能に大きく影響します。ここでは、ユーザーがセンサー性能を最大限に引き出すための重要ポイントを紹介します。

アクティブセンサーアライメントと品質検査
第4世代ではセンサーサイズの拡大とピクセルの微細化により、筐体内でのセンサー位置公差の影響が大きくなります。レンズバレルに対するBFD、回転、チルトのずれは画質を低下させます。大型センサーでチルトが大きいと周辺解像が低下し、小型センサーで中心がずれると実装位置に影響します。LUCIDは実装時にアクティブアライメントを採用し、装着中にセンサー位置をリアルタイム測定して最適化します。6自由度クランプでセンサー上に構造光パターンを重畳し、最大シャープネスとなるよう位置決めします。加えて、全カメラでホットピクセル、ダーク/欠陥ピクセル、センサーおよびカバーガラス上の微粒子を検査します。アクティブアライメントと画素・ダスト検査により、安定した高画質を実現します。

Active Sensor Alignment Light pattern overlay
6DoF Active Sensor Alignment

左:センサー上に光パターンを投影し、チルト・回転・奥行きのずれによる歪みを検出。右:6DoFシステムでセンサーを補正し、リアルタイムで最適位置に合わせます。LUCIDのアクティブセンサーアライメントの詳細はこちら。

 

フレームレートとインターフェース帯域
採用インターフェースにより到達可能な最大フレームレートは異なります。Pregius Sの高速読み出しに対応するため、LUCIDのAtlas10は10 Gigabitインターフェースを搭載し、NBASE-Tで5/2.5/1 GigEへフォールバック可能です。Atlas10はSony Pregius Sの24.5MP、20.4MP、16.2MP High Speedセンサーをラインアップしています。

Atlas10 10Gige Camera with PoE

Atlas10カメラは、10 GigabitとPoEを組み合わせ、Sony Pregius Sと最適なペアリングを実現します。

ethernet data rates chart

10 GigEはツイストペア銅線で高帯域を提供する、コスト効率に優れたインターフェースです。

用途別に選べるラインアップ

Pregiusファミリーは多様な撮像要件に応える幅広いセンサーを提供します。産業用途向けに設計されたセンサーは全4世代で合計38種類。フレームレートはHighとStandardの2系統、ピクセルピッチは4種類、センサーサイズは12種類、アスペクト比は7種類、解像度は0.4MPから31.4MPまでをカバーします。高感度を重視する用途には、ピクセルが大きい1世代目と3世代目が高いフルウェル容量で有利です。2世代目は解像度とアスペクト比の選択肢が最も豊富です。4世代目は2.74µmのBSIピクセルにより、コンパクトなサイズで高解像度と感度の両立を図ります。どのセンサーでも、光学系や照明の品質、アクティブアライメントや品質検査などの製造プロセスが、最終画質を大きく左右します。