『小絞りボケの原因は、本当に回折現象が原因なのか？』 の クチコミ掲示板

[Sweet little 7D]

普通は まぁ こうですよね	こういう設計はできない？

レンズ設計についてずっと疑問に思っていたことがあり、全国で多くの方が見ておられ、また識者や
実際に仕事で携わってられる方も多いとお見受けする、この価格コムに質問させて頂くことにしました。
OKwaveとかでは書き込むカテゴリに悩みますし、なにより点数稼ぎだけのウザイ回答しか得られない
ような気がしてなりません。
よろしくお願いします。

◆◆疑問の概要，経緯など◆◆
その疑問とは　『絞りを絞りすぎると回折現象でボヤケてくる』　と言われている件に関してです。
また雑誌やレビューなどでも　『もし回折現象が無いとするならば、絞れば絞るほどシャープになる』　
と受け取れる記述も多く見かけます。
念のためお断りしますが、被写界深度は関係なく、ピント面（ピントが合っている箇所）での画像の
クッキリ度のことです。

本当の疑問は回折現象によるボケではなく、そもそものレンズ設計（光学設計）に関してです。
上記の言われている事を別の言い方をすれば　『F∞が最もシャープとなるようにレンズの屈折面が
設計されている』　という事になります。しかし、どんなレンズでも F22〜F32 ぐらいが最小であり、
使用不可能なF∞で、最大の性能を出しても意味がありません。光学は全く何の知識もありませんが、
私も一機械屋として　『開放から最小絞りの全域で偏り無く最高の性能を発揮するように設計する』　
のが設計の常識と思います。その結果、開放と最小絞りでは解像度が甘く、中間あたりのＦ値で最高
の解像度になる、つまり　『回折ではなく、レンズの屈折面が元々そのように設計されている』　のでは
ないかと思うのです。
技術的にムリなら仕方ありませんが、レンズ設計において　『F∞で最も高解像度にしか設計できない』　
ことは無いという気がするのです。

◆◆たとえば◆◆
全てのレンズ面を非球面で設計すれば最高の解像度が得られると思いますが、コストの関係で大半の面を
球面としていると思います。この 『非球面を球面に置き換える』 場合に、たとえば添付画像に示したように、
球面の曲率や位置のさじ加減で、解像度の落ち具合の調整が出来るのではと思うのです。
（目測で描いたので正確ではないですし、理想の非球面の式が判らなかったので放物線で代用しました。）
１枚目はレンズの中心が同一曲率で面の位置も同じ場合、２枚目は中心から少し離れた所が元の非球面と
同一曲率で面位置も同一の場合です。
元の非球面に近い領域の面積が多いほど、球面にした事による解像度の落ちが少なくなると思いますし、
２枚目のようにした方がその面積がより多く得られると思います。２枚目は面を接して描いてますが、
位置をもう少しオーバーラップさせれば、より 『元の非球面に近い領域』 を広げられると思います。
なお、１枚目が 『F∞の時に最高解像度』 となる設計に相当すると思います。

◆◆余談◆◆
ミノルタに 85mmF1.4 Limited というレンズがありましたが、開放でよりシャープになるよう設計されていた
とのことです。私が言わんとしている設計を思わせるのですが、どうなんでしょうか。
同じくミノルタにレフレックス500mmという反射式レンズがあり、反射した後の経路にレンズ玉も入っています。
このガラス玉こそ、私が図示した２枚目のような設計をしなければ意味がない気がします。
（反射鏡がドーナツ状になっていて、中心部は光が通らないように思います。）

◆◆本当の質問◆◆
レンズ設計とは、図示した１枚目のような設計しか技術的に出来ないのでしょうか？
２枚目で図示したようなことをしても、解像度を上げることは出来ないのでしょうか？
もし２枚目のような方法で解像度アップが可能であれば、やはり小絞りボケの原因は回折現象ではなく、
元々のレンズの光学設計からして、そのようになっているのが原因なのですね？


長くなりましたが、以上よろしくお願いします。

書込番号：11930204

[ramuka3]

私も専門家ではありませんが、回折現象と収差の問題を混同してませんか？

回折現象はレンズ設計がどうであれ発生する物理現象です。絞りが存在する以上必ず発生するものですから、レンズ設計の問題とは別の話のはずです。

また、回折現象が発生したからといって撮影した画像がまったく使えないほど破綻するというものではありません。一度ご自身で撮り比べてみれば、どの程度違うのかわかりますよ。

それよりもピンボケや被写界深度ボケのほうがよっぽど見た目にそれとわかる差異があり、どうしても被写界深度を稼ぎたい場合は回折現象を無視してもF22などの絞りを使う場合もあります。使えない無意味な絞りをつけているわけではないと思います。プロの写真家の作品で、F22などのデータを見ることもあります。フィルムで撮影する場合は、回折現象の影響もデジタルほど目立たないので、わりと普通に使ってました。

書込番号：11930725

[アナスチグマート]

こんばんは。

図の意味がちょっと分からないのですが、知っていることを書いてみます。
そんなに自信があるわけではないです。

まず、収差がない理想的なレンズでは絞り開放で最高解像度を発揮します。
理由は下記サイトの上の方をよく眺めると分かるかと思います。
http://f42.aaa.livedoor.jp/~bands/diffraction/diffraction.html

顕微鏡の対物レンズなどは、収差を極限にまで減らしているため、
絞り込むと上記現象で解像度がみるみる悪化します。
天体望遠鏡の解像度がほぼ口径で決まるのも、上記の理由によるものです。

カメラレンズの場合は、様々な距離の被写体をかなり広いイメージサークルで結像しなければならず、さらに大きさ、コストの制約もあることから、収差を残さないと設計できません。

絞り込むことで収差が悪化することはないので、レンズ設計をするときは絞り開放を基準にしているはずです。
絞り無限大なら、それはピンホールカメラであり、そもそもレンズが不要です。

書込番号：11930776

[ガラスの目]

完璧なレンズ設計は不可能です。
なぜなら、カメラは、様々な波長すなわち様々な異なる屈折をする光を束ねて一点に焦点を結ばなければなりません。
結局、妥協とセンスを考慮する巧みの技でレンズが設計されます。
しかも、設計できても、加工精度、実装精度、温度による変形など画質劣化要因に事欠きません。
コンデジの豆粒レンズの場合、絞り開放が一番高画質になったりします。
絞ると画質が低下するので絞りがなくNDフィルターで代用されます。
>小絞りボケの原因は、本当に回折現象が原因なのか？
回折現象は、簡単なシュミレーションで計算できますので、原因の何割が回折現象か判断できます。
個人的には、回折現象が主因と思っています。

書込番号：11930889

[デローザ]

＞絞れば絞るほどシャープになる

　中心の方が収差が少なく、収差によるハロが減るのでコントラストが上がるのは間違いないようですね。

　解像力は、どなたかが言っているようにｆ値で決まるので大口径ほど有利です。絞ると解像力は落ちます。

　たぶん、そこで言っているシャープとはコントラストのことでしょう。

　回折とは、光が粒子のため小さな穴を通すと回り込む現象ですから、絞りを小さくすると、どうしても一点に纏まらず拡散することになります。つまりハロが生ずるのでコントラストが落ちるというわけですね。

　以上のように考えると、中間画質が良いというのは、開放は解像力が上がるが収差も増えて、そのハロでコントラストが落ちるからシャープに見えない。

　絞り続けると、収差はによるハロが減るが、回折によるハロが増えるので、シャープに見えないとするのが定説でしょう。

　球面収差と像面湾曲の兼ね合いで、開放の画質を良くする考えもありますが、レンズの設計で、故意に開放と最小絞りの画質を悪くしているというのは、無理がありそうですね。

書込番号：11931324

[灰色のガンダルフ]

おっしゃっている曖昧用語を数学的な表現に改める作業をしないと、論理的な理解はできません。

●シャープになる
●画像のクッキリ度
●解像度

これらは、何で評価した場合の、何の数値が高い事を意味しますか？

一般にヒトの脳での画像認識は解像度（２点分解能）とコントラスト（コントラスト比）の中で後者の方を優先して「シャープ」とか「くっきり」と感じています。

このような数学的表現の理解までは質問者の方で歩み寄らないと意思の疎通に齟齬が発生します。

さて、回折現象は「光が波である」ために起こる基礎的な物理現象です。（中学校で履修する理科）。ホイヘンスの原理から教科書を見直すとよいでしょう。
非球面レンズだろうがなんだろうが、波が媒体を乗り換えると必ず起こる基本現象です。


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ここからは難しくなりますが、、。

より、２点分解能を上げるためには、より短い波長の光で境界を鮮明にする（可視光でない光でも可能。ＳＥＭが有名）
より、コントラスト比を上げるには、光が媒体を乗り換えるのを段階的に行う（SWCとかナノクリとかの商品でおなじみ）

ですが、、さらに研究では進んでいて
非線形光学媒質（LiNbO3など）を用いた、これまでのレンズ常識を越えたレンズも開発が進んでいます。

もう非球面レンズなんて旧いですよ（笑）。

書込番号：11933607

[デローザ]

＞より短い波長の光で境界を鮮明にする

　紫外線ステッパーかブルーレイディスクかな。しかし、カメラレンズの話ですか？

＞光が媒体を乗り換えるのを段階的に行う（SWCとかナノクリとかの商品で

　もう少し、詳しい説明をお願いします。一応、空気を含む媒体の境界で必ず起こる屈折と反射の問題として受け取りましたけど、ゴーストやフレアーなどの内面反射によるコントラスト低下の話ですか？

＞非線形光学媒質（LiNbO3など）を用いた、これまでのレンズ常識を越えたレンズも開発が進んでいます

　面白そうですね。ニオブ酸リチュウムは、一応、キャノンのローパスフィルターの材料だったと覚えていますが、これを使うと、どんなレンズになるのでしょう。

＞もう非球面レンズなんて旧いですよ

　全てを非球面とすると、どうなるか分かりませんが、一部の場合はペッツバール和に貢献しないため、像面湾曲が残る問題がありますね。

書込番号：11934602

[Sweet little 7D]

赤のグラフのようには設計できない？

みなさんご回答、まことに有難うございます。
専門用語はよく知らないまま使っていますが、その辺はご推察頂けますようお願いします。
申し訳ありません。

質問の本質が伝わらなかったようで、補足いたします。
私の質問は 『添付画像のグラフの、赤の曲線のようにレンズを設計できないか？』 です。

使用できない領域の解像度をいくら上げても無駄なのに、なぜ？ と言うわけです。
レンズとは、技術的に左側のようにしか設計出来ない物なのでしょうか？

よろしくお願いします。

書込番号：11934836

[灰色のガンダルフ]

なるほど。

縦軸はどうあれその設計は可能ですね。
しかし、わざと性能を100％出さないような設計にみえてしまいます。
なぜ左の設計よりメリットがあると考えますか？
（どんな場面で使いやすいと考えますか？）

もちろん、このようにメリットのためにデチューンすることはたくさんあります。例としては、多くの場合ズームレンズは最も広角で口径比が最大（Ｆ値が小さい）ですが、高級ズームレンズでは、「わざと」広角での口径比を落としてＦ値一定を実現しています。かつてはＦ値一定は扱いやすかったのですね。


デローザさん　
新スレでも建てられたらどうでしょうか。
「光が粒子のため小さな穴を通すと回り込む」とは、どのような論拠かも含めて。

書込番号：11935413

[アナスチグマート]

Sweet little 7Dさん、こんばんは。

言わんとしていること、何となく分かりました。

設計できるか出来ないかで言えば「出来る」と思いますが、
普通のレンズの場合、光学的には意味がありません。

右側のように設計して、解像度を高めるためには、
絞りの中心の光をカットしないとだめです。
つまり、ドーナツ型の絞りが必要です。
Sweet little 7Dさんが最初にコメントされていた500mmレフのような光学系なら意味があるかなと思います。

レフレックスレンズのミラーは、理想的には放物面や双曲面など、数学的に焦点が存在する形状にすることで、光を１点に集められます。
例えばパラボラアンテナは、電波を1点に集めるために放物面となっています。

ただミラーを非球面に仕上げるのは非常に難しいので、カメラの場合は球面ミラーとなっています。
この場合、ミラーにより球面収差が発生するので、これを打ち消すためのレンズがミラーの後ろに入っています。
この考え方は、Sweet little 7Dさんが考えている通りでいいかと思います。


普通のレンズの場合にドーナツ型の絞りがもし採用できたとしても、当然ですが暗くなります。
収差を残してまで大口径にするのは明るさを稼ぐためですから、これでは本末転倒です。

あと、最小絞りで収差が悪化することはありません。
収差はレンズの光が１点に集まらない現象ですから、レンズからの光線が少なくなれば収差は確実に良化します。
収差と回折による解像限界の話は別です。


>開放でよりシャープになるよう設計されていたとのことです。
上記のような理由から、収差が０で無い限り、開放の方がシャープに写ることはないはずです。
収差がきわめて小さい大口径超望遠レンズならあり得ると思いますが、画角が広い85mmだと軸外収差が補正しきれないので難しいんじゃないでしょうか。


こんな感じじゃないかと思うのですが、どうでしょうかね。

書込番号：11935665

[デローザ]

＞赤の曲線のようにレンズを設計できないか？

　球面収差の問題だけであれば、球面でも無収差は作れます。焦点側の半円が焦点を中心とした円になるように設計すると球面収差は発生しません。

　確か、アプラナチックエレメントと言いますね。レンズの構成図を見ると、必ず含まれているようですよ。

　うっかり読み落としてしまいましたが、上記のような理由で、仮定として、理想的な非球面を条件にすると言うのは現実的でないと思います。

書込番号：11936169

[デローザ]

＞開放の方がシャープに写ることはないはずです

　かなり、いい加減ですから、適当に聞いてください。

　たぶん、球面収差を過剰補正にして、像面湾曲を物体側に倒すと、絞った方が画質が悪くなりそうです。絞ると過剰補正が消えて、像面湾曲を相殺できなくなると言うわけですが。

書込番号：11936314

[アナスチグマート]

スレ主さん、横レスすいません。

>デローザさん　
>球面収差を過剰補正にして、像面湾曲を物体側に倒すと、絞った方が画質が悪くなりそうです。

それっておかしい気が・・：
球面収差は画角によらない成分なので、球面収差は焦平面に均等に出ているはずです。
球面収差の過剰補正や補正不足だと絞りによる焦平面の移動がありますけど、平面が移動するだけなので、像面湾曲を打ち消せるというのがよく分かりません・・・

書込番号：11936507

[Sweet little 7D]

灰色のガンダルフさん　ご回答有難うございます。

> なぜ左の設計よりメリットがあると考えますか？

もちろんグラフ中に示したように、『使用可能範囲』 での解像度を極力高めるためです。
『使用可能範囲』 での解像度がレンズ（交換レンズ１本）の性能であり、『使用不可領域』
がどんなに解像度が高くても、それはカメラのレンズの性能にはなりません。

ではあるのですが、どうも皆さんのご回答から右のように設計しても、赤の曲線のようには
ならないような気がしてきました。


アナスチグマートさん　ご回答有難うございます。

> あと、最小絞りで収差が悪化することはありません。
> 収差はレンズの光が１点に集まらない現象ですから、レンズからの光線が少なくなれば収差は確実に良化します。

私はこの辺を勘違いしていたのかも知れません。
仮に私の言っている右側のような事をして 『使用可能範囲』 の解像度が改善できたとしても、
赤の曲線が左上がりであることは変わらないような気がしてきました。
そうすると．．．
右側のようなことが正しかろうが左側のような設計しか出来なかろうが、結局は絞って解像度が
落ちる原因は回折しかない？？？　となるんでしょうか．．．
時間をかけて（何日とか何年？）じっくり考え直してみたいと思います。


デローザさん　ご回答有難うございます。

収差１種類づつなら十分理解できているつもりなんですが、色んな収差を複合して考えるとなると
とても私の理解を超えてしまいます。
私のこの長年の疑問を解決するのは、諦めたほうが幸せかもです。


しかし、レンズって　ほんと　ふしぎですね．．．
みなさん、まことに有難うございました。

書込番号：11936722

[デローザ]

＞平面が移動するだけなので

　蛇足ですが、アナスチグマートさん、ブーですよ。

　焦点に集まった光束は上下左右が逆になりながら像面に達します。周辺と中央でピント最良位置が違ってくるのは、球面収差と像面湾曲の両方の影響を受けているからですね。

　球面収差を良くしようとして苦労していると、像面湾曲が逆符号になって、この修正に、再び四苦八苦なんて設計者の本には書かれています。

　Sweet little 7Dさんが言うように「色んな収差を複合して考えるとなると」複雑で、素人が幾ら考えても理解できない世界のようですよ。

書込番号：11938586

[アナスチグマート]

>デローザさん

なるほど。それもそうですね〜。
ありがとうございました。

書込番号：11939817

[あぁこんなはずでは]

すでに解決済みなのですが、参考までに。
私は基本的にカメラ好きの人ではなく、天体望遠鏡好きの人ですので、解像度（分解能）の観点からのお話です。
星は本来は点光源で面積が無いため、本来はどんなにＦＬ（焦点距離）を伸ばしても点にしか写らないはずなのにイメージセンサーの上には面積を持って写ります。
不思議な事にこの面積はＦＬに比例しません。
Ｆ（口径比）に比例します。
エアリーディスクと言われるものです。
エアリーディスクは大雑把な計算ですとＦ×１．７（光の波長（色）によって異なりますが、ドンブリ勘定で行きます）＝エアリーディスクの直径（マイクロメートル）となります。
次にイメージセンサーの一粒の大きさと言うか守備範囲を考えます。これは一粒が多分正方形であろうと仮定して手抜き計算になりますが、イメージセンサーの長辺の長さ（マイクロメートル）÷吐き出されるデータの長辺のドット数で求めます。
次にレンズの技術的な壁のお話で、昔からＦの長さは七難隠す、などと言われているように、どんなに頑張っても理論数値のレンズは作れません。ですが、Ｆを大きく設計しておくと、光を屈折させる角度が浅くなるのでＦの小さいレンズを作るより理論値に近づけるのが容易になります。
と、以上の３点を踏まえて考えますと。
イメージセンサー一粒の大きさがエアリーディスクより小さくなると「小絞りボケ」が発生します。
逆にイメージセンサー一粒の大きさがエアリーディスクより大きい場合はどんなにエアリーディスクを小さくしても解像度は上がりません。
解像度がそれ以上上がらないのであれば、エアリーディスクの大きさを「小絞りボケ」発生の手前までＦを大きくしてあげれば、レンズそのものアラが目立たなくなります。コレが少し絞った方がシャープになるの原理です。
ですので、たとえ同じレンズを用いていても、一粒の大きさが異なるイメージセンサーを用いた場合は、適切なＦは変わってきます。一眼レフなどで新しいボディに変えた場合などは少しこの辺りにも気を配ると良いかと思います。
また、開放状態からすでに「小絞りボケ」になってしまっているカメラは開放で使うほうが良い結果になる事があるかも知れません。

蛇足ですが、回析現象は光がレンズなどで収束する際に光の波としての性質の都合で、場所によって強められたり、弱められたりして、エアリーディスクの周りにリング状の光が結像面に出てしまう現象です。
レンズの中央に遮蔽物があると、この波の相殺、増強が変な風にややこしく作用して、巨大でくっきりしたリングが出来てしまいます。その結果、著しく解像度が低下します。
ですので天体望遠鏡の世界では、中央遮蔽のある反射光学系は同じ口径の屈折には絶対に勝てない。が定説になっています。

書込番号：16079672

[f256]

解放でf64のレンズを作って解放で使用すれば、回折によるボケは生じないのではないでしょうか
ということは板状の絞りをやめて鏡胴自体の径が小さくなる構造を考えれば絞りの縛りからは解放されますね
できればの話です・・・

書込番号：16606179