カメラレンズ

カメラレンズ(写真レンズまたは写真対物レンズとも呼ばれる) は、カメラ本体および機構と組み合わせて使用​​され、写真フィルム上または化学的または電子的に画像を保存できる他の媒体上に物体の画像を作成するための光学レンズまたはレンズのアセンブリです。

静止画カメラ、ビデオカメラ、望遠鏡、顕微鏡、その他の装置に使用されるレンズには原理上大きな違いはありませんが、設計と構造の詳細は異なります。レンズはカメラに永久的に固定されている場合もあれば、焦点距離、絞り、その他の特性が異なるレンズと交換可能な場合もあります。

原理的には単純な凸レンズで十分ですが、実際には、発生する多くの光学収差を（可能な限り）補正するために、多数の光学レンズ要素で構成された複合レンズが必要です。どのレンズ システムにも、何らかの収差は存在します。これらの収差のバランスを取り、写真撮影や大量生産に適した設計を生み出すのがレンズ設計者の仕事です。

一般的な直線レンズは、 「改良された」ピンホール「レンズ」と考えることができます。図に示すように、ピンホール「レンズ」は、ほとんどの光線を遮断する小さな開口部で、理想的には、画像センサー上の各ポイントに対して 1 つの光線をオブジェクトに選択します。ピンホール レンズには、いくつかの重大な制限があります。

• 大きな開口部を持つピンホール カメラは、各ピクセルが基本的に絞りの影であるため、そのサイズが開口部のサイズよりも小さくならず、ぼやけます (3 番目の画像)。ここで、ピクセルは、物体上の 1 点からの光にさらされる検出器の領域です。
• ピンホールを小さくすると解像度は向上しますが（限界まで）、捕捉される光の量は減少します。
• ある点では、回折限界のため、穴を小さくしても解像度は向上しません。この限界を超えて穴を小さくすると、画像がぼやけて暗くなります。

実用的なレンズは、「ピンホール レンズをどのように変更すれば、より多くの光を取り入れ、スポット サイズを小さくできるか」という質問に対する答えと考えることができます。最初の手順は、ピンホールに、フィルム面までの距離に等しい焦点距離を持つ単純な凸レンズを配置することです (カメラが遠くの物体を撮影すると仮定^[1] )。これにより、ピンホールを大幅に開くことができます (4 番目の画像)。これは、薄い凸レンズがレンズの軸からの距離に比例して光線を曲げ、レンズの中心に当たる光線がまっすぐ通過するためです。形状は単純なピンホール レンズとほぼ同じですが、単一の光線で照らされるのではなく、各画像ポイントが焦点を絞った光線の「鉛筆」で照らされます。

カメラの正面からは、小さな穴 (絞り) が見えます。世界から見た絞りの虚像は、レンズの入射瞳と呼ばれます。理想的には、物体上の点から出て入射瞳に入るすべての光線は、イメージセンサー/フィルム上の同じ点に焦点を合わせます (物体点が視野内にある場合)。カメラの中にいると、レンズがプロジェクターとして機能しているのが見えます。カメラ内から見た絞りの虚像は、レンズの射出瞳です。この単純なケースでは、唯一の光学要素が絞りの平面にあるため、絞り、入射瞳、射出瞳はすべて同じ場所にありますが、一般的には、これら 3 つは異なる場所にあります。実際の写真レンズには、より多くのレンズ要素が含まれます。追加の要素により、レンズ設計者はさまざまな収差を減らすことができますが、動作原理は同じです。光線束は入射瞳で集められ、射出瞳から像平面に焦点を合わせられます。

カメラのレンズは、 Box Brownieのメニスカス レンズのように 1 つの要素から、より複雑なズームでは 20 を超える要素まで、多数の要素から構成されます。これらの要素自体が、接着されたレンズのグループを構成することもあります。

前面の要素は、全体の性能にとって非常に重要です。すべての最新レンズの表面は、摩耗、フレア、表面反射率を低減し、色のバランスを調整するためにコーティングされています。収差を最小限に抑えるために、通常は、入射角と屈折角が等しくなるように曲率が設定されます。単焦点レンズではこれは簡単ですが、ズームレンズでは常に妥協が必要です。

レンズは通常、レンズアセンブリから像面までの距離を調整するか、レンズアセンブリの要素を移動させることによって焦点を合わせます。性能を向上させるために、一部のレンズには、レンズの焦点を合わせるときにグループ間の距離を調整するカムシステムがあります。メーカーはこれをさまざまな名前で呼んでいます。ニコンはこれをCRC（近距離補正）、キヤノンはフローティングシステム、ハッセルブラッドとマミヤはFLE（フローティングレンズエレメント）と呼んでいます。^[2]

ガラスは、光学特性が優れ、傷がつきにくいため、レンズ要素を構成するのに最もよく使用される材料です。石英ガラス、蛍石、^{[3] [4] [5] [6]}アクリル（プレキシガラス）などのプラスチック、さらにはゲルマニウムや隕石ガラスなどの他の材料も使用されています。^{[要出典]プラスチックを使用すると、ガラスでは製造が困難または不可能な強力な}非球面レンズ要素を製造でき、レンズの製造と性能を簡素化または向上させることができます。^[要出典]プラスチックは傷がつきやすいため、最も安価なレンズを除いて、最も外側の要素には使用されていません。成形プラスチックレンズは、最も安価な使い捨てカメラに長年使用されており、評判が悪くなっています。高品質の光学機器メーカーは、「光学樹脂」などの婉曲表現を使用する傾向があります。ただし、人気のあるメーカーの多くの最新の高性能（および高価）レンズには、成形またはハイブリッド非球面要素が含まれているため、プラスチック要素を含むすべてのレンズの写真品質が低いわけではありません。^[要出典]

1951年USAF解像度テストチャートは、レンズの解像力を測定する方法の1つです。材質、コーティング、構造の品質が解像度に影響します。レンズの解像度は最終的には回折によって制限され、この解像度に近づく写真レンズはほとんどありません。この解像度に近づくレンズは「回折限界」と呼ばれ、通常は非常に高価です。^[7]

現在、レンズフレアやその他の望ましくない効果を最小限に抑えるために、ほとんどのレンズにマルチコーティングが施されています。一部のレンズには、色を汚す可能性のある紫外線を遮断する UV コーティングが施されています。ガラス要素を接着する最新の光学接着剤のほとんどは UV 光を遮断するため、UV フィルターは不要です。ただし、レンズを適切に手入れしないと、レンズにカビが生える可能性があります。UV 写真家は、接着剤やコーティングのないレンズを見つけるために多大な努力を払う必要があります。

レンズには、ほとんどの場合、通過する光の量を調整するための絞り調整機構（通常は虹彩絞り）が備えられています。初期のカメラ モデルでは、穴の大きさが異なる回転プレートまたはスライダーが使用されていました。これらのウォーターハウス絞りは、現代の特殊なレンズにもまだ見られます。光が通過する時間を調整するためのシャッターは、レンズ アセンブリ内（画像品質の向上のため）、カメラ内、またはまれにレンズの前に組み込まれている場合もあります。レンズ内にリーフ シャッターを備えた一部のカメラでは、絞りが省略され、シャッターが 2 つの役割を果たします。

光学レンズの2つの基本的なパラメータは、焦点距離と最大絞りです。レンズの焦点距離は、画像面に投影される画像の倍率を決定し、絞りはその画像の光の強度を決定します。特定の写真システムでは、焦点距離によって視野角が決定され、焦点距離が短いレンズは、焦点距離の長いレンズよりも広い視野を提供します。より小さいf値で識別されるより広い絞りは、同じ露出でより速いシャッタースピードを使用できます。カメラ方程式、またはG#は、カメラセンサーに到達する放射輝度とカメラレンズの焦点面の放射輝度の比です。 ^[8]

レンズの最大使用可能絞りは、焦点比またはf値で指定され、レンズの焦点距離を有効絞り（または入射瞳）（無次元数）で割った値として定義されます。f値が低いほど、焦点面での光の強度が高くなります。他の条件が同じであれば、絞りが大きい（f値が小さい）と、絞りが小さい場合よりも被写界深度がはるかに浅くなります。実際のレンズアセンブリには、光を測定するためのメカニズム、フレアを低減するための二次絞り、^[9]および露光の瞬間まで絞りを開いたままにして、 SLRカメラがより明るい画像と浅い被写界深度で焦点を合わせることができるようにするためのメカニズムも含まれている場合があります。理論的には、フォーカス精度が向上します。

焦点距離は通常ミリメートル (mm) で指定されますが、古いレンズではセンチメートル (cm) またはインチで表​​記されることがあります。対角線の長さで指定される特定のフィルムまたはセンサー サイズでは、レンズは次のように分類されます。

• 標準レンズ: 対角線の視野角は約 50° で、焦点距離は画像の対角線とほぼ等しくなります。
• 広角レンズ：視野角が60°より広く、焦点距離が通常より短いレンズ。
• 長焦点レンズ：フィルムやセンサーの対角線の長さよりも焦点距離が長いレンズ。^[10]視野角は狭くなります。最も一般的なタイプの長焦点レンズは望遠レンズで、特殊な光学構成を使用してレンズを焦点距離よりも短くする設計です。

異なる焦点距離のレンズを使用することの副作用は、被写体をフレーミングできる距離が異なるため、異なる視点が得られることです。手を伸ばしている人物の写真を広角、標準レンズ、望遠レンズで撮影すると、被写体からの距離を変えることで、まったく同じ画像サイズになります。ただし、視点は異なります。広角では、手は頭に対して誇張して大きくなります。焦点距離が長くなるにつれて、伸ばした手の強調は小さくなります。ただし、同じ距離から写真を撮影し、同じビューを含むように拡大およびトリミングすると、写真の視点は同じになります。ポートレートには、中程度の長焦点 (望遠) レンズが推奨されることが多いです。これは、撮影距離が長いほど視点がより魅力的に見えると考えられるためです。

写真史上最も口径の広いレンズはカールツァイス プラナー 50mm f/0.7であると考えられており、^[11]これは1966年にNASAのアポロ月面計画のために月の裏側を撮影するために特別に設計・製造された。このレンズのうち3本は映画監督スタンリー・キューブリックによって購入され、1975年の映画『バリー・リンドン』のシーンを撮影するために使用されており、ろうそくの光を唯一の光源として使用した。^{[12] [13] [14]}

レンズの複雑さ (要素の数と非球面度の度合い) は、画角、最大絞り、予定価格帯、その他の変数によって異なります。大口径の超広角レンズは、光学収差を補正するために非常に複雑な構造にする必要があります。光学収差は、フィールドの端や、大きなレンズの端が画像形成に使用される場合に悪化します。小口径の長焦点レンズは、同等の画質を得るために非常に単純な構造にすることができます。ダブレット (2 つの要素) で十分な場合がよくあります。古いカメラの中には、通常の焦点距離のコンバーチブル レンズ (ドイツ語: Satzobjektiv ) が取り付けられているものがありました。前面の要素をねじで外すと、焦点距離が 2 倍、画角が半分、絞りが半分のレンズになります。より単純なハーフレンズは、狭い画角と小さい相対絞りに対して十分な品質でした。

最大絞りが f/2.8 以下で、焦点距離が固定の高品質レンズには、少なくとも 3 枚 (トリプレット) または 4 枚のレンズが必要です (商品名「テッサー」はギリシャ語の「4」を意味する テッセラに由来します)。最も広角のズームレンズには、15 枚以上のレンズが使用されることがよくあります。さまざまな光学媒体 (空気、ガラス、プラスチック) 間の多くのインターフェイスでの光反射により、初期のレンズ、特にズームレンズでは、特に光源によってレンズが直接照らされる場合、コントラストと色の彩度が著しく低下しました。何年も前に光学コーティングが導入され、コーティング技術が長年にわたって進歩したことにより、大きな改善がもたらされ、現代の高品質ズームレンズでは、かなり許容できるコントラストの画像が得られます。ただし、多くのレンズを備えたズームレンズは、より少ないレンズで作られたレンズよりも光の透過量が少なくなります (絞り、焦点距離、コーティングなど、他のすべての要素は同じ)。^[15]

多くの一眼レフカメラと一部のレンジファインダーカメラには、取り外し可能なレンズが付いています。他のいくつかのタイプ、特にマミヤのTLR カメラと SLR、中判カメラ ( RZ67、RB67、645-1000s )、ブロニカ、ハッセルブラッド、フジなどの中判機器を製造する他の会社も、同様にレンズの交換が可能なカメラスタイルを持っています。また、ミラーレス一眼カメラにも同様にレンズが交換可能です。レンズは、レンズマウントを使用してカメラに取り付けられます。レンズマウントには、レンズとカメラ本体間の機械的なリンクと、多くの場合、電気的な接点も含まれています。

レンズマウントの設計は、カメラとレンズの互換性にとって重要な問題です。レンズマウントには世界共通の標準はなく、各大手カメラメーカーは通常、他のメーカーと互換性のない独自の設計を使用しています。 ^[16]レンジファインダー用のライカM39レンズマウント、初期の一眼レフ用のM42レンズマウント、ペンタックスKマウントなど、いくつかの古いマニュアルフォーカスレンズマウントの設計は、複数のブランドに見られますが、今日では一般的ではありません。デジタル一眼レフ用のオリンパス/コダックフォーサーズシステムマウントなど、いくつかのマウント設計も他のメーカーにライセンス供与されています。^[17]ほとんどの大判カメラは交換レンズも使用しており、通常はレンズボードまたはフロントスタンダードに取り付けられています。

現在市場で最も一般的な交換レンズマウントには、Canon EF、EF-S、EF-Mオートフォーカスレンズマウントがあります。他には、Nikon Fマニュアルおよびオートフォーカスマウント、Olympus / Kodak Four Thirds および Olympus / Panasonic Micro Four Thirdsデジタル専用マウント、Pentax K マウントおよびオートフォーカスバリアント、Sony Alphaマウント ( Minoltaマウントから派生)、および Sony Eデジタル専用マウントがあります。

マクロレンズまたは「クローズアップ」写真 (構図用語のクローズアップと混同しないでください)で使用されるマクロ レンズは、焦点面 (フィルムまたはデジタル センサー) 上に、撮影対象の 1/4 サイズ (1:4) から同じサイズ (1:1) の画像を生成するレンズです。マクロ レンズを定義する公式の標準はなく、通常はプライム レンズですが、1:1 の比率が通常「真の」マクロと見なされます。等身大からそれより大きいサイズへの拡大は「マイクロ」写真 (2:1、3:1 など) と呼ばれます。この構成は一般に、非常に小さな対象のクローズアップ画像を撮影するために使用されます。マクロ レンズの焦点距離は任意ですが、実際の焦点距離は、倍率、必要な比率、対象へのアクセス、および照明の考慮事項を考慮して、実際の用途によって決まります。クローズアップ撮影用に光学的に補正された特殊レンズの場合もあれば、非常に近い距離で撮影するために焦点面を「前方」に移動するように変更されたレンズ（「延長チューブ」とも呼ばれるアダプタまたはスペーサーを使用）の場合もあります。カメラから被写体までの距離と絞りに応じて、被写界深度が非常に狭くなり、焦点が合う領域の線形深度が制限されることがあります。レンズは通常、被写界深度を大きくするために絞り込まれます。

ズーム レンズと呼ばれる一部のレンズは、内部の要素を動かすと焦点距離が変化します。通常は、鏡筒を回転させるか、ボタンを押して電動モーターを作動させます。一般的に、レンズは中程度の広角から標準、中程度の望遠、または標準から超望遠にズームします。ズーム範囲は製造上の制約によって制限されており、超広角から超望遠にズームする大きな最大絞りのレンズという理想は実現できません。ズーム レンズは、固定レンズまたは交換レンズを備えた静止画カメラや映画カメラなど、あらゆる種類の小型カメラで広く使用されています。かさばり、価格が高いため、より大きなフィルム サイズでの使用は制限されます。電動ズーム レンズでは、フォーカス、絞り、その他の機能が電動化されることもあります。

• アポクロマート（アポ）レンズは色収差の補正が追加されています。
• プロセス レンズは、幾何学的収差 (糸巻き型歪み、樽型歪み) を極端に補正し、通常は特定の距離と小絞りで使用することを目的としています。
• 引き伸ばしレンズは、カメラではなく、写真引き伸ばし機（特殊なプロジェクター）で使用するために作られています。
• 航空写真用レンズ。
• シフトレンズを使用すると、レンズをセンサー面のフィルムに対して上げたり下げたりして、遠近法の歪みを修正したり強調したりできます。
• 魚眼レンズ: 最大 180 度以上の視野角を持つ超広角レンズで、非常に目立つ (意図的な) 歪みがあります。
• 立体レンズは、適切なビューアーで見ると 3 次元効果を与える写真のペアを作成します。
• ソフトフォーカスレンズは、ぼやけていないけれども柔らかい画像を作り出し、欠点を除去する効果があり、ポートレート写真家やファッション写真家の間で人気があります。
• 赤外線レンズ
• 紫外線レンズ
• スイベルレンズはカメラ本体に取り付けると回転し、独特な視点とカメラアングルを実現します。
• シフトレンズとティルト/シフトレンズ (総称してパースペクティブコントロールレンズ) を使用すると、ビューカメラの動きを模倣することで、一眼レフカメラのパースペクティブを特別に制御できます。
• テレセントリック レンズ(または正投影レンズ) を使用すると、レンズからの距離に関係なく、あらゆる物体が同じサイズで表示されます。

注目すべき写真用光学レンズの設計には次のようなものがあります。

• アンジェニュー レトロフォーカス
• クックトリプレット
• ダブルガウス
• ゲルツ・ダゴール
• ライツエルマー
• 急速直線
• ツァイス ゾナー
• ツァイス プラナー
• ツァイス テッサー

• 光学表面の曇り止め処理
• 大判レンズ
• レンズ（光学系）
• レンズフード
• レンズカバー
• 一眼レフカメラとデジタル一眼レフカメラ用レンズ
• 光学トレイン
• テレコンバーター
• テレサイドコンバータ
• ウィリアム・テイラー（発明者）

• キングスレイク、ルドルフ（1989）。写真レンズの歴史。ボストン：アカデミックプレス。ISBN 978-0-12-408640-1。
• ガイ、NK (2012)。レンズ：クリエイティブな写真家のための実践ガイド。ロッキー・ヌーク。ISBN 978-1-933952-97-0。

ウィキメディア・コモンズには、写真レンズに関連するメディアがあります。

• Photo.net レンズチュートリアル
• 光学ガラス