絞り

光学において、光学系（単一レンズで構成されるシステムを含む）の絞りは、システムを通じて伝播する光を主に制限する穴または開口部です。より具体的には、光学系の絞りの前面像である入射瞳と焦点距離によって、像面で焦点を結ぶ光線束の円錐角が決まります。

光学系には通常、光線束を制限する多くの開口部または構造があります（光線束は光束とも呼ばれます）。これらの構造は、レンズやミラーのエッジ、光学素子を所定の位置に保持するリングやその他の固定具、または光学系に入る光を制限するために光路内に配置された絞りなどの特殊な素子である場合があります。一般に、これらの構造は絞りと呼ばれ、[ ^2]光学系が受け入れる光線の円錐を主に決定する絞りが開口絞りです（入射瞳を参照）。その結果、像点における光線円錐の角度と明るさも決定します（射出瞳を参照）。開口絞りは一般に、物点の位置に依存します。異なる物面にある軸上の物点は開口絞りが異なる場合があり、同じ物面でも横方向の位置が異なる物点でも開口絞りが異なることがあります（ケラレる）。^{[3]実際には、多くの物体系は、設計された作動距離と}視野で単一の開口絞りを持つように設計されています。

特に写真や天文学の分野では、口径は光が通過できる開口絞りの開口径を指します。たとえば、望遠鏡では、開口絞りは通常、対物レンズまたはミラー（またはそれらを保持するマウント）の端です。そのため、望遠鏡は、たとえば 100 センチメートル (39 インチ) の口径を持つと言われています。開口絞りは、必ずしもシステム内で最小の絞りではありません。レンズやその他の要素による拡大と縮小によって、比較的大きな絞りがシステムの開口絞りになることがあります。天体写真では、口径は線形の測定値（たとえば、インチまたはミリメートル）で示されるか、またはその測定値と焦点距離の無次元比で示される場合があります。他の写真撮影では、通常は比率で示されます。

通常は、絞りという用語は絞りの開口部を指すと予想されますが、実際には、絞りと絞りという用語は混在して使用されます。光学系の絞りではない絞りも、絞りと呼ばれることがあります。文脈によってこれらの用語を明確にする必要があります。

開口部という言葉は、他の文脈では、特定の領域外の光を遮断するシステムを指すためにも使用されます。たとえば、天文学では、星の周りの測光開口部は通常、光の強度が想定される星の像の周りの円形の窓に対応します。^[4]

絞りは、ほとんどの光学設計において重要な要素です。その最も明白な特徴は、画像/フィルム面に到達できる光の量を制限することです。これは、絞りのサイズの実際的な制限により避けられない場合もあれば、検出器の飽和やフィルムの露出過多を防ぐために意図的に行われる場合もあります。どちらの場合も、絞りのサイズによって、光学システムによって受け入れられる光の量が決まります。絞りは、他の光学システム特性にも影響します。

• 絞りの開口サイズは、被写界深度(DOF ) に影響を与える要因の 1 つです。絞りが小さい ( f 値が大きい) ほど、光円錐の角度が小さくなり、物体点の像の広がりが小さくなるため、被写界深度が長くなります。被写界深度が長いほど、観察者から広範囲の距離にある物体に同時に焦点を合わせることができます。
• 絞りは、光が光学中心よりも収差が強い光学素子の端に到達しないように光を制限することで、光学収差の影響を制限します。絞りの開口部 (絞りと呼ばれる) が大きすぎると、強い収差によって画像が歪んでしまいます。より洗練された光学システムの設計により、収差の影響を軽減し、より大きな絞りを実現して、集光能力を高めることができます。
• 絞りによって、画像がケラレるかどうかが決まります。絞りが大きいと、フィルムまたは検出器に到達する光の強度が画像の端に向かって低下する可能性があります。特に、軸外のポイントでは、光軸上の絞りよりも多くの光を遮断する別の絞りが絞りになる場合です。
• 絞りの位置によってテレセントリック性が決まります。レンズの絞りがレンズの前焦点面にある場合、それは像空間テレセントリック性になります。つまり、像の横方向のサイズは像面の位置に影響されません。絞りがレンズの後焦点面にある場合、それは物体空間テレセントリック性になります。この場合、像のサイズは物体面の位置に影響されません。テレセントリック性を備えた測定システムはサンプルまたはセンサーの軸方向の位置誤差の影響を受けないため、テレセントリック性は正確な 2 次元測定に役立ちます。

写真レンズには、絞りに加えて、システムの視野を制限する 1 つ以上の視野絞りがある場合があります。視野がレンズの視野絞り (フィルムやセンサーではなく) によって制限されると、ケラレが発生します。これは、結果として得られる視野が希望よりも狭い場合にのみ問題になります。

天文学では、開口絞りの開口径（開口と呼ばれる）は、望遠鏡の設計における重要なパラメータです。一般的に、撮影する遠方の物体からの光を最大限に集めるために、開口はできるだけ大きくする必要があります。しかし、実際には、開口のサイズは、製造コストと時間、重量、および収差の防止（前述のとおり）を考慮して制限されます。

開口部はレーザーエネルギー制御、クローズドアパーチャZスキャン技術、回折/パターン、ビームクリーニングにも使用されます。^[5]レーザーの用途には、空間フィルタ、Qスイッチング、高強度X線制御などがあります。

光学顕微鏡では、絞りという言葉は、コンデンサー（標本視野への光の角度を変える）、視野絞り（標本上の照明領域を変える）、または対物レンズ（一次画像を形成する）のいずれかを指すために使用されることがあります。光学顕微鏡を参照してください 。

写真レンズの絞りを調整することで、フィルムやイメージセンサーに届く光の量を制御することができます。シャッタースピードの変化と組み合わせることで、絞りのサイズはフィルムやイメージセンサーの光への露出度を調整します。通常、高速シャッターでは十分な光露出を確保するために大きな絞りが必要になり、低速シャッターでは過度の露出を避けるために小さな絞りが必要になります。

絞りと呼ばれるデバイスは、通常、絞りストップとして機能し、絞り (絞りの開口部) を制御します。絞りは、目の虹彩のような機能を持ち 、レンズ開口部 (目の瞳孔と呼ばれる) の有効直径を制御します。絞りサイズを小さくする (F 値を大きくする) と、センサーに届く光が少なくなり、被写界深度も深くなります(センサーに到達する画像光の円錐角を制限することによって)。被写界深度は、実際の焦点面に近いまたは遠い対象物がどの程度焦点が合っているように見えるかを表します。一般に、絞りが小さいほど (F 値が大きいほど)、対象物が焦点面から遠く離れていても焦点が合っているように見えます。

レンズの絞りは通常、焦点距離と有効絞り径 (入射瞳径)の比であるf 値で指定されます。レンズには通常、f 値を設定できる「f ストップ」のセットがあります。f 値が低いほど絞りが大きく、フィルムまたはイメージ センサーに届く光が多くなります。写真用語の「1 f ストップ」は、f 値が√ 2 (約 1.41) 変化することを意味し、これは絞り径が√ 2変化することに対応し、これは光の強度が 2 変化すること (絞り面積が 2 変化すること) に対応します。

絞り優先は、カメラで使用される半自動撮影モードです。これにより、撮影者は絞り設定を選択し、カメラがシャッター速度と場合によってはISO感度を決定して適切な露出を得ることができます。これは、絞り優先自動露出、Aモード、AVモード（絞り値モード）、または半自動モードとも呼ばれます。^[6]

写真撮影で使用される絞りの典型的な範囲は約f /2.8–22枚または2倍–16倍^[7] 6つのストップをカバーし、大まかに（概数を使用）広いストップ、中くらいのストップ、狭いストップにそれぞれ2つずつ分けることができます。2倍–4倍、4倍–8倍、 そして8倍–16倍または（より遅いレンズの場合）f /2.8–f /5.6、f /5.6–11 枚目、 そして11 枚目–22枚これらは明確な区分ではなく、特定のレンズの範囲は異なります。

レンズの仕様には通常、最大および最小の絞り（開口部）サイズが含まれます。たとえば、0.95倍–22枚。 この場合、0.95倍現時点では最大絞り（実用上フルサイズフォーマットで最も広い開口部^[8]）であり、22枚は最小絞り（最も小さい開口部）です。最大絞りは最も関心を引く傾向があり、レンズを説明するときに必ず含まれています。この値は、露出時間に影響を与えるため、レンズの「速度」とも呼ばれます。絞り面積はレンズまたは光学系によって受け入れられる光に比例するため、絞り直径は受け入れられる光の平方根に比例し、したがって必要な露出時間の平方根に反比例します。つまり、2倍露光時間は4分の1になる4倍. （2倍4倍大きい4倍開口部エリア内。

絞りが開くレンズf /2.8またはそれより広いレンズは「高速」レンズと呼ばれますが、具体的なポイントは時代とともに変化してきました（たとえば、20世紀初頭には、6倍^[9]一般的な35mmフィルムフォーマット用の最も速いレンズは、1.2倍またはf /1.4詳細はf /1.8そしてf /2.0、そして多くのf /2.8またはそれより遅い;1.0倍珍しいですが、ある程度使用されています。「高速」レンズを比較する場合、使用される画像フォーマットを考慮する必要があります。ハーフ フレームやAPS-Cなどの小型フォーマット用に設計されたレンズは、大型フォーマットの写真撮影に使用されるレンズよりもはるかに小さなイメージ サークルを投影する必要があります。そのため、レンズに組み込まれる光学要素ははるかに小さく、安価になります。

例外的に、レンズは1.0未満のf値でさらに広い絞りを持つことができます。詳細なリストについては、レンズの速度：高速レンズを参照してください。たとえば、現在のライカノクティルックスM 50mm ASPHと1960年代のキヤノン50mmレンジファインダーレンズはどちらも最大絞りが0.95倍^{[10] 2010年代初頭には、}コシナ・フォクトレンダーなどのより安価な代替品が登場し始めた。 0.95倍ノクトン（いくつかの10.5～60 mmの範囲）およびf /0.8（29 mm ）マイクロフォーサーズシステム用のスーパーノクトンマニュアルフォーカスレンズ、^[11]およびヴィーナスオプティクス（ラオワ）アーガス35ミリメートル 0.95倍^[8 ]

一部の映画用カメラのプロ用レンズのF値は、0.75倍スタンリー・キューブリックの映画「バリー・リンドン」には、映画史上最も明るいレンズであるNASA/ツァイス50mm f/0.7 [ ^12]を使ってろうそくの明かりで撮影されたシーンがある。高価なことに加え、これらのレンズは被写界深度（DOF）が浅いため用途が限られている 。シーンは浅くするか、遠くから撮影するか、大幅に焦点をぼかす必要があるが、これが望ましい効果である場合もある。

ズームレンズの最大相対絞り（最小F値）は通常、f /2.8にf /6.3高級レンズは一定の絞りを持ち、例えばf /2.8または4倍つまり、相対絞りはズーム範囲全体で同じままです。より一般的な消費者向けズームでは、焦点距離が長い場合に最大相対絞りを焦点距離に比例させるのが難しく、コストもかかるため、最大相対絞りは可変になります。f /3.5にf /5.6これは、民生用ズーム レンズの一般的な可変絞り範囲の例です。

対照的に、最小絞りは焦点距離に依存せず、レンズ設計ではなく、絞りがどれだけ狭くなるかによって制限され、通常は実用性に基づいて選択されます。非常に小さな絞りでは、絞りの端での回折により鮮明度が低下し、被写界深度の増加は一般的に役に立たないため、このような絞りを使用するメリットはほとんどありません。したがって、DSLRレンズの最小絞りは通常16倍、22枚、 または32倍大型フォーマットでは64枚グループf/64の名前に反映されているように、被写界深度はマクロ撮影では重要な問題であり、そこではより小さな絞りが見られます。たとえば、キヤノンMP-E 65mmは、有効絞り（倍率による）が次のように小さくなることがあります。96枚レンズベビーのクリエイティブレンズのピンホール光学系の開口部はわずか177枚^[13 ]

• 
  32倍– 絞りを小さくし、シャッターを遅くする
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  f /5.6– 大口径と高速シャッター
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  22枚– 絞りを小さくし、シャッター速度を遅くする（露出時間：1/80）
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  f /3.5– 大きな絞りとより速いシャッター（露出時間：1/2500）
• 
  カメラの絞り値を半段ずつ変更する。256枚そして最後に1 / 1
• 
  カメラの絞り径をゼロから無限大に変更する

光学系によって捕捉される光の量は、システムの開口部の物体側像である 入射瞳の面積に比例し、次の式に等しくなります。

${\displaystyle \mathrm {面積} =\pi \left({D \over 2}\right)^{2}=\pi \left({f \over 2N}\right)^{2}}$

ここで、2 つの同等の形式は、焦点距離fと入射瞳径Dで、f 値 N = f / Dによって関連しています。

同じ焦点距離の 2 つのレンズを比較する場合、焦点距離の値は必要ありません。代わりに値 1 を使用することができ、他の係数も省略して、面積を f 値Nの逆数の 2 乗に比例させることができます。

フォーマット サイズと焦点距離が異なる 2 台のカメラが同じ画角と 同じ絞り領域 を持つ場合、シーンから同じ量の光を集めます。ただし、その場合、相対的な焦点面照度 はf 値Nのみに依存するため、フォーマットが大きく、焦点距離が長く、 f 値が高いカメラでは相対的な焦点面照度は低くなります。これは、両方のレンズの透過率が同一であると仮定しています。

トルケル・コーリングは1933年にすでにグラフレックス大判カメラ用に自動絞り制御を発明し特許を取得していたが、 ^[14]初期の35mm一眼レフカメラの全てにこの機能があったわけではない。絞りが小さいとファインダーが暗くなり、観察、フォーカス、構図が難しくなる。^[15]コーリングの設計では、シャッターが切れたときにあらかじめ選択された絞り開口部に閉じ、同時にフラッシュ装置の発光と同期することで、絞りを全開にして正確なフォーカスが可能になった。1956年からは、一眼レフカメラメーカーが個別に自動絞り制御（ミランダT「圧力自動絞り」、およびエグザクタ・ヴァレックスIIaとプラクティカFX2のその他のソリューション）を開発し、レンズの最大絞りで観察し、露出の瞬間にレンズを作動絞りまで絞り込み、その後レンズを最大絞りに戻すことを可能にした。^{[16]内部（} 「レンズを通して」または「TTL」 ）メーターを備えた最初のSLRカメラ（例：ペンタックススポットマティック）では、メーターの読み取り時にレンズを作動絞りまで絞る必要がありました。その後のモデルでは、レンズとカメラ本体の間に機械的なカップリングが組み込まれ、露出のために作動絞りをカメラに示しながら、構図とフォーカスのためにレンズを最大絞りにすることができるようになりました。^{[16]この機能は}、開放絞り測光として知られるようになりました。

いくつかのレンズ、たとえばいくつかの長い望遠レンズ、蛇腹に取り付けられたレンズ、遠近感制御およびティルト/シフトレンズなどでは、機械的なリンクは実用的ではなく^[16]、自動絞り制御は提供されていませんでした。そのようなレンズの多くには、「プリセット」絞りと呼ばれる機能が組み込まれており^{[16] [17]、}レンズを作業絞りに設定してから、絞り制御を見ずに作業絞りと開放絞りをすばやく切り替えることができます。一般的な操作は、大まかな構図を決め、測光のために作業絞りを設定し、焦点と構図、焦点の最終チェックのために開放絞りに戻り、最後に露出直前に作業絞りに戻るというものです。絞り込み測光よりも少し簡単ですが、操作は自動操作ほど便利ではありません。プリセット絞り制御にはいくつかの形式があります。最も一般的なのは、基本的に 2 つのレンズ絞りリングを使用するもので、1 つのリングで絞りを設定し、もう 1 つのリングは作業絞りに切り替えるときのリミット ストップとして機能します。このタイプのプリセット絞り制御を備えたレンズの例としては、Nikon PC Nikkor 28 mm などがあります。f /3.5SMCペンタックスシフト6×7 75mmf /4.5ニコンPCマイクロニッコール85mmf /2.8Dレンズには機械式の押しボタンが組み込まれており、押すと実際の絞りが設定され、もう一度押すと最大絞りに戻ります。

1987年に発売されたキヤノンEFレンズ^[18]には電磁絞り^[19]が採用されており、カメラとレンズの機械的な連結が不要になり、キヤノンTS-Eティルト/シフトレンズで自動絞り制御が可能になりました。2008年に発売されたニコンPC-Eパースペクティブコントロールレンズ^{[20]にも電磁絞り[21]}が採用されており、2013年にはEタイプレンズにもこの機能が拡張されました。

最適な絞りは、光学系（シーンの深さと回折）とレンズの性能の両方に依存します。

光学的には、レンズの絞りを絞ると、被写界深度（DOF）の限界での焦点外れのぼやけは減少しますが、回折ぼやけは増加します。これら 2 つの相反する要因の存在は、結合されたぼやけスポットが最小になるポイントを意味します (Gibson 1975、64)。そのポイントでは、この特定の被写界深度に対して、 f値が画像の鮮明さに対して最適になります^[22]。つまり、 絞りが広いほど ( f値が低いほど) 焦点外れが大きくなり、絞りが狭いほど ( f値が高いほど) 回折が大きくなります。

性能面では、レンズは完全に開いた状態では最適な性能を発揮しないことが多く、そのため一般的には絞りを少し絞った方がシャープネスが向上します。これは被写界深度の問題を別にすれば、クリティカルフォーカス面におけるシャープネスです。ある点を超えると、絞り込んでもそれ以上のシャープネスの利点はなく、絞りの端で発生する回折が画像品質に大きく影響し始めます。したがって、一般的には絞りの端にスイートスポットがあります。4倍–8倍レンズによっては、シャープネスが最適になる範囲がありますが、一部のレンズは絞り開放時に最適に機能するように設計されています。これがどの程度重要かはレンズによって異なり、実際にどの程度影響があるかについては意見が分かれています。

最適な絞りは機械的に決定できますが、どの程度の鮮明度が必要かは画像の使用方法によって異なります。最終画像が通常の条件下で表示される場合は (たとえば、8 インチ × 10 インチの画像を 10 インチで表​​示)、最低限必要な鮮明度の基準を使用してf値を決定すれば十分であり、ぼかしスポットのサイズをさらに小さくしても実用的な利点はありません。ただし、最終画像がより厳しい条件下で表示される場合は (たとえば、非常に大きな最終画像を通常の距離で表示する場合や、画像の一部を通常のサイズに拡大する場合など)、このことは当てはまらない可能性があります (Hansma 1996)。Hansma はまた、写真撮影時に最終画像のサイズがわからない場合があり、実行可能な最大の鮮明度を得ることで、最終画像を大きくするかどうかを後で決定できると示唆しています。臨界鮮明度も参照してください。

多くの生体光学系では、目は光が入る瞳孔の大きさを調節する虹彩で構成されています。虹彩は絞りに類似しており、瞳孔（虹彩の調節可能な開口部）は開口部に類似しています。角膜の屈折により、有効開口部（光学用語では入射瞳）は物理的な瞳孔直径とわずかに異なります。入射瞳の直径は通常約 4 mm ですが、2 mm ほど狭いものから 10 mm ほど狭いものまであります（f /8.3）直径8mm（明るい場所ではf /2.1人間は暗闇でも順応するために瞳孔を8mm以上広げることができます。稀に、暗所照明下では瞳孔が8mmを超えて（虹彩の物理的限界に近い）散大できる人もいます。人間の平均的な虹彩直径は約11.5mmで^[23] 、これは当然、瞳孔の最大サイズにも影響を及ぼし、虹彩直径が大きい人は通常、虹彩が小さい人よりも瞳孔を大きく広げることができます。最大散大瞳孔サイズも加齢とともに減少します。

虹彩は、括約筋と散大筋という2つの相補的な筋肉を介して瞳孔の大きさを制御します。括約筋と散大筋はそれぞれ副交感神経と交感神経によって支配されており、それぞれ瞳孔の収縮と散大を誘発する働きをします。瞳孔の状態は、主に光（または光の欠如）などのさまざまな要因によって密接に影響されますが、感情状態、注目の対象への関心、覚醒、性的刺激、^[24]身体活動、^[25] 調節状態、^[26]認知負荷^[27]によっても影響されます。視野は瞳孔の大きさの影響を受けません。

一部の人は、虹彩筋を手動で意識的に直接制御することができ、命令に応じて自発的に瞳孔を収縮させたり拡張させたりすることができます。^[28]しかし、この能力はまれであり、潜在的な用途や利点は不明です。

デジタル写真では、35mm 換算の絞り範囲が実際の f 値よりも重要だと考えられることがあります。換算絞りとは、35mm 換算の焦点距離のレンズで同じサイズの絶対絞り径の f 値に対応するように調整された f 値です。換算 f 値が小さいほど、被写体からの総光量が増えるため画質が向上すると期待されますが、被写界深度は浅くなります。たとえば、Sony Cyber​​-shot DSC-RX10 は1 インチ センサー、24 ～ 200 mm を使用し、最大絞りはズーム範囲にわたって一定です。 f /2.8同等の絞り範囲を持つf /7.6これは他のものよりも低い等価F値ですf /2.8より小さなセンサーを搭載したカメラ。^[29]

しかし、現代の光学研究では、センサーサイズは実際には画像の被写界深度に影響を与えないと結論づけられています。^[30]絞りの f 値は、レンズの特性にのみ関係する比率であるため、カメラのセンサーサイズによって変更されることはありません。代わりに、センサーサイズが小さいためにクロップファクターが高くなると、被写体を均等にフレーミングするためには、写真をより遠くから撮影する必要があり、その結果、背景のぼやけが少なくなり、被写界深度の知覚が変わります。同様に、同等の絞りでセンサーサイズが小さいと、同等のメガピクセルのより小さなセンサーのピクセル密度のために、画像が暗くなります。カメラのセンサー上のすべてのフォトサイトには、光に敏感でない一定量の表面積が必要であり、これがピクセルピッチの違いと信号対雑音比の変化をもたらします。しかし、被写界深度の変化^[31]も、光感度の知覚される変化^[32]も、絞りの結果ではありません。代わりに、等価絞りは、ピクセル密度や被写体からの距離などの品質が画像の変化の実際の原因であっても、センサー サイズの変化が画像にどのような影響を与えるかを判断するための経験則として考えることができます。

走査アパーチャとサンプリング アパーチャという用語は、ドラム スキャナ、イメージ センサー、テレビ ピックアップ装置などで、画像をサンプリングまたはスキャンする開口部を指すためによく使用されます。サンプリング アパーチャは、文字通りの光学アパーチャ、つまり空間内の小さな開口部である場合もあれば、信号波形をサンプリングするための時間領域アパーチャである場合もあります。

たとえば、フィルム粒子は、0.048 mm のサンプリング開口部を通して見たフィルム密度の変動を測定することにより、 粒状性として定量化されます。

ポータルの架空世界に登場する架空の企業、アパーチャーサイエンスは、光学システムにちなんで名付けられている。同社のロゴには開口部が多用されており、シリーズ、架空の企業、そしてゲームシリーズの舞台となるアパーチャーサイエンス研究所のコンピューター支援エンリッチメントセンターを象徴するようになった。^[33]

• 開口数
• アンテナ開口部
• 角度分解能
• 絞り（光学）
• ウォーターハウス停留所
• ボケ
• 浅い焦点
• 深い集中
• 入学生徒
• 射出瞳
• リヨストップ

• ギブソン、H. ルー。1975 年。『クローズアップ写真とマクロ写真』。第 2 版。コダック出版番号 N-16。ニューヨーク州ロチェスター: イーストマン コダック社、第 2 巻: マクロ写真。ISBN 0-87985-160-0 
• Hansma, Paul K. 1996. ビューカメラのフォーカスの実践。写真テクニック、1996 年 3 月/4 月、54 ～ 57 ページ。ラージ フォーマット ページで GIF 画像として入手できます。

• 絞りと絞り