レンズ回折と写真
回折は、カメラのメガピクセル数に関係なく、写真の全体的な解像度を制限する光学効果です。これは、小さな開口部 (カメラの絞りなど) を通過するときに光が分散または「回折」し始めるために発生します。通常、この影響は無視できます。なぜなら、絞りを小さくすると、レンズの収差が最小限に抑えられてシャープネスが向上することが多いからです。ただし、開口部が十分に小さい場合、この戦略は逆効果になります — その時点で、カメラは回折限界になったと言われます .この制限を知っておくと、ディテールを最大限に活用し、不必要な長時間露光や高い ISO 速度を避けることができます。
背景
小さな開口部を通過する光線は発散し始め、互いに干渉します。これは、通過する光の波長に対して開口部のサイズが小さくなるにつれて、より重要になりますが、どの開口部または集中光源でもある程度発生します。
発散光線が異なる距離を移動するようになったため、一部は位相がずれて互いに干渉し始めます。ある場所では追加され、他の場所では部分的または完全に相殺されます。この干渉により、光波の振幅が加算される場所では強度がピークになり、減算される場所では光が減少する回折パターンが生成されます。線上の各位置に到達する光の強度を測定すると、測定結果は以下に示すようなバンドとして表示されます。
回折パターン 理想的な円形開口の 2 次元回折パターンは、発見者のジョージ エアリーにちなんで「エアリー ディスク」と呼ばれます。エアリー ディスクの幅は、光学システムの理論上の最大解像度を定義するために使用されます (最初のダーク サークルの直径として定義されます)。
エアリー ディスク 
3D ビジュアライゼーション エアリー ディスクの中央のピークの直径がカメラのピクセル サイズ (または最大許容錯乱円) に比べて大きくなると、画像に視覚的な影響が生じ始めます。 2 つのエアリー ディスクが幅の半分より近くなると、それらも解像できなくなります (レイリー基準)。
かろうじて解決 
もはや解決されていません したがって、回折は、メガピクセル数やフィルム フォーマットのサイズに関係なく、基本的な解像度の限界を設定します。それは、レンズの f 値と、画像化される光の波長にのみ依存します。これは、写真の細部の理論上の最小「ピクセル」と考えることができます。さらに、回折の開始は緩やかです。解像度を制限する前に、エアリー ディスクを部分的にオーバーラップさせることで、小規模なコントラストを減らすことができます。
視覚的な例:絞り VS。ピクセル サイズ
エアリー ディスクのサイズは、主にピクセル サイズのコンテキストで役立ちます。次の対話型ツールは、いくつかのカメラ モデルのピクセル サイズと比較した単一のエアリー ディスクを示しています:
注:上のエアリー ディスクは、指定された直径よりも狭く表示されます (これは、目に見える内側の明るい領域ではなく、最初の最小値に達する場所によって定義されるため)。
センサーのアンチエイリアシング フィルター (および上記のレイリー基準) の結果として、エアリー ディスクは、回折が解像度を制限する前に約 2 ～ 3 ピクセルの直径を持つことができます (それ以外の場合は完全なレンズを想定)。ただし、回折はこの直径に達する前に視覚的な影響を与える可能性があります。
2 つの例として、Canon EOS 20D は f/11 付近で回折を示し始めますが、Canon PowerShot G6 は f/5.6 付近でのみその効果を示し始めます。一方、Canon G6 は、同じ被写界深度を達成するために 20D ほど小さな絞りを必要としません (センサー サイズがはるかに小さいため)。
エアリー ディスクのサイズは光の波長にも依存するため、3 原色のそれぞれは、異なる開口で回折限界に達します。上記の計算は、可視スペクトルの中間 (~550 nm) の光を想定しています。一般的なデジタル一眼レフ カメラは、450 から 680 nm の波長の光を捉えることができるため、エアリー ディスクの直径はせいぜい上記のサイズの 80% になります (純粋な青色光の場合)。
もう 1 つの問題は、Bayer 配列を利用するセンサーがピクセルの 2 倍の部分を赤または青の光として緑に割り当て、これらの色を補間して最終的なフルカラー画像を生成することです。これは、回折限界に近づくと、最初の兆候として緑の解像度とピクセルレベルの光度が失われることを意味します。青色光は、回折のために解像度を下げるために、最小の開口 (最大の f ストップ) を必要とします。
その他のテクニカル ノート:- 物理ピクセルは、実際にはセンサー領域の 100% を占めるわけではなく、その間にギャップがあります。この計算では、マイクロレンズによってこれらのギャップが無視できると仮定しています。
- 一部のカメラには、わずかに長方形のピクセルがあります。この場合、回折によって一方向の解像度が他よりも大きく低下します。
- 上記のチャートは開口部を円形に近似していますが (一般的な近似値)、実際には 5 ～ 8 辺の多角形です。
- ピクセル領域の計算は、これらが各センサーの端まで伸び、すべてが最終的な画像に寄与することを前提としています。実際には、カメラ メーカーは、センサーの端にある一部のピクセルを未使用のままにしています。すべてのメーカーが使用済みピクセルと未使用ピクセルの数を指定しているわけではないため、センサー領域全体の割合を計算する際には、使用済みピクセルのみを考慮しました。したがって、上記のピクセル サイズは、測定した場合よりもわずかに大きくなっています (ただし、5% 以下です)。
見た目
上の図は回折の概念を理解するのに役立ちますが、その視覚的な影響を示すことができるのは実際の写真だけです。次の一連の画像は Canon EOS 20D で撮影されたもので、通常、約 f/11 を超えると回折による軟化が見られます。マウスを各 F 値の上に移動して、これらが細部にどのように影響するかを確認してください:
| 絞りの選択: | f/8.0 | f/11 | f/16 | f/22 |
エアリー ディスクの重複なし 
エアリー ディスクの部分的な重なり 布地のほとんどの線が f/11 でも解像されていることに注意してください。これは、エアリー ディスクが部分的にしか重なり合っていないためです。これは、隣接する黒と白のエアリー ディスクが交互に並んでいる場合と同様です (右図を参照)。 f/22 までに、エアリー ディスクがこのディテールよりも大きいため、ほとんどすべての細い線が滑らかになります。
回折限界の計算
以下のフォームは、エアリー ディスクのサイズを計算し、カメラが回折限界になっているかどうかを評価します。 [高度な表示] をクリックしてカスタムの錯乱円 (CoC) を定義するか、ピクセル サイズの影響を確認します。
注:CF ="クロップ ファクター" (一般に焦点距離乗数と呼ばれます); コンパクト デジタルの場合は 4:3 のアスペクト比、SLR の場合は 3:2 の正方形ピクセルを想定しています。 .
この計算機は、エアリー ディスクの直径が片足から見た 8x10 インチのプリントで通常解像できるものを超える場合、カメラが回折限界であることを示しています。この制限に達する基準を変更するには、[詳細を表示] をクリックします。 「ピクセルに基づいて錯乱円を設定する」チェックボックスは、回折がコンピュータで 100% スケールで表示される可能性が高い時期を示します。各入力設定の詳細については、被写界深度計算機も参照してください。
実際には、回折限界は必ずしも急激な変化をもたらすわけではありません。実際には、回折が見えるときと見えないときの間には段階的な移行があります。さらに、この制限は、他の点では完璧なレンズを使用する場合の最良のシナリオにすぎません。実際の結果は異なる場合があります。
写真撮影における実際の使用に関する注意事項
カメラシステムがその回折限界に近づいているか、その限界を超えている場合でも、フォーカス精度、モーションブラー、不完全なレンズなどの他の要因がより重要になる可能性があります。したがって、回折は、頑丈な三脚、ミラーロックアップ、および非常に高品質のレンズを使用する場合にのみ、全体的なシャープネスを制限します.
多少の回折は通常問題ありません 被写界深度外のシャープネスと引き換えに、焦点面でのシャープネスを犠牲にしても構わないと思っている場合。あるいは、流れる水でモーション ブラーを誘発するなど、十分に長時間の露出を実現するには、非常に小さな絞りが必要になる場合があります。言い換えれば、ノイズ (ISO) とシャッター スピードなどの他のトレードオフのバランスをとる方法と同様に、回折は露出設定を選択するときに注意する必要があります。
だからと言って、「開口部が大きいほど良い」とは思わないでください。 非常に小さな開口部がソフトなイメージを作り出しますが。また、ほとんどのレンズは、開放 (利用可能な最大の絞り値) で使用すると非常にソフトです。カメラシステムは通常、最大設定と最小設定の間の最適な絞りを持っています。ほとんどのレンズでは、最適なシャープネスは回折限界に近いことがよくありますが、一部のレンズでは回折限界より前に発生することさえあります。これらの計算は回折が顕著になった場合にのみ表示され、必ずしも最適なシャープネスの場所ではありません (詳細については、カメラ レンズの品質:MTF、解像度、コントラストを参照してください)。
小さいピクセルはどういうわけか悪いですか? 必ずしも。 (大きいピクセルで) 回折限界に達したからといって、小さいピクセルを使用した場合 (および限界を超えた場合) よりも画像が悪化することを必ずしも意味するわけではありません。どちらのシナリオでも、合計解像度は同じです (ピクセルが小さいほどファイルは大きくなります)。ただし、ピクセルが小さいカメラは、アーティファクト (色モアレやエイリアシングなど) が少ない写真をレンダリングします。ピクセルが小さいほど、よりクリエイティブな柔軟性が得られます。これは、より大きな開口部を使用できる場合 (被写界深度が浅い場合など)、より高い解像度が得られるためです。一方、ノイズやダイナミック レンジなどの他の要因を考慮すると、「小さいピクセルと大きいピクセル」の議論はより複雑になります...
テクニカル ノート:焦点距離の独立性 開口部の物理的なサイズは望遠レンズの方が大きいため (f/4 は 200 mm では直径 50 mm ですが、100 mm では直径 25 mm しかありません)、エアリー ディスクが小さくならないのはなぜですか?これは、焦点距離が長くなると、カメラ センサーに当たる前に光が遠くまで移動するためです。したがって、エアリー ディスクが発散し続けることができる距離が長くなります。したがって、より大きな口径とより長い焦点距離の相反する効果は相殺され、重要なのは f 値だけになります (これは口径サイズに対する焦点距離を表します)。
このトピックの追加情報については、補遺:デジタル カメラの回折、パート 2:解像度、色、およびマイクロコントラスト
も参照してください。 ページ番号:1 2
