露出計

露出計（または照度計）は、光の量を測定するために使用される装置です。写真撮影において、露出計は、特定の照明状況とフィルム速度が与えられた場合に、最適な露出のための正しいシャッター速度と絞り値を表示するデジタルまたはアナログの計算機に接続された露出計です。同様に、露出計は、シーンの最適な光レベルを決定するために、 映画撮影や舞台デザインの分野でも使用されます。

照度計は、建築照明設計の一般的な分野でも使用され、建物の照明システムの適切な設置と性能を確認したり、植物の成長に必要な光のレベルを評価したりします。

照度計がルクス単位で表示する場合、それは「ルクスメーター」と呼ばれます。^[1]

• 写真露出計
• 
  リューディ吸光度計^[2]
• 
  メトロフォト
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  ノーウッドディレクター
  モデルNo.56646
• 
  ノーウッド取締役
  特許 2,214,238
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  セコニック「ツインメイト」L208
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  フォクトレンダー VCメーター
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  コダラックス
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  テッシーナメーター
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  ライカ IIIC とフォクトレンダー VC メーター II
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  セコニック L-358「フラッシュマスター」

最も初期の露出計はアクチノメーターと呼ばれていました（同名の科学機器と混同しないでください）。これは、1800年代後半に、一定の感度を持つ写真乾板が市販されるようになった後に初めて開発されました。これらの写真用アクチノメーターは感光紙を使用していました。写真家は、紙が制御値まで暗くなるのに必要な時間を測定し、特定のプレート番号のシャッター速度と絞りの機械的計算に入力しました。^{[3] : 69}これらは、1890年から1920年頃に人気がありました。^[4]

ほぼ同時期に開発されたが、1920 年代から 1930 年代まで人気がなかった次の露出計は、減光計として知られ、可変減衰によって適切な露出設定を評価します。^[4]減光計の 1 つのタイプには、番号または文字が付けられた、濃度が増加する中性濃度フィルターの列が含まれていました。写真家は、被写体の前にメーターを配置し、入射光が通過できる最も濃度の高いフィルターを記録します。1900 年代初頭から Heyde の Aktino-Photometer として販売されている別の例では、写真家は接眼レンズを通してシーンを観察し、メーターを回して、シーンが見えなくなるまで有効濃度を変更します。^{[6]シーンの「減光」を引き起こすフィルターの強度に対応する文字または番号は、特定の}フィルム速度に対する適切な絞りとシャッター速度の組み合わせの表のインデックスとして使用されました。^{[3] : 72}

減光計は主観的な解釈と人によって異なる人間の目の光に対する感度に依存するため、一貫性のない結果を出す傾向があった。 ^[7]

その後^{[いつ? ]、}メーターは人的要素を排除し、セレン、CdS、シリコン 光検出器を組み込んだ技術に依存するようになりました。

セレンおよびシリコン露出計は、光起電性のセンサーを使用します。つまり、露出量に比例した電圧を生成します。セレン センサーは、メーターへの直接接続に十分な電圧を生成します。動作に電池は不要であるため、完全に機械式のカメラでは非常に便利です。ただし、セレン センサーは微弱な光を正確に測定することはできません (通常の電球では限界に近づく可能性があります)。また、ろうそくの光、月の光、星の光などの非常に弱い光を測定することもできません。シリコン センサーは増幅回路を必要とし、動作には電池などの電源が必要です。CdS 露出計は、電気抵抗が露出量に比例して変化するフォトレジスタセンサーを使用します。これも動作に電池が必要です。最新の露出計のほとんどは、シリコンまたは CdS センサーを使用しています。露出は、検流計針またはLCD画面に表示されます。

最近の多くの一般向け静止画カメラやビデオカメラには、シーン全体の光レベルを測定し、それに基づいて適切な露出のおおよその測定ができるメーターが内蔵されています。照明を制御する写真家や映画撮影者は、手持ちの露出計を使用して、被写体のさまざまな部分に当たる光を正確に測定し、適切な照明を使用して希望の露出レベルを生み出します。

露出計は、一般的に、シーンを測定する方法に応じて、反射光タイプと入射光タイプに分類されます。

反射光計は、撮影するシーンで反射された光を計測します。カメラに内蔵されているすべてのメーターは反射光計です。反射光計は、「平均的な」シーンに適した露出を示すように調整されています。明るい色や鏡面反射が優勢な珍しいシーンでは、反射率が高くなります。反射光計で測定すると、反射率の差が誤って補正され、露出不足になります。露出不足の夕焼け写真がよく見られるのは、まさにこの効果のためです。沈む太陽の明るさがカメラの露出計を誤認させ、カメラ内蔵のロジックまたは撮影者が補正を行わない限り、写真は露出不足でくすんだものになります。

この落とし穴 (夕日の場合は除く) は、入射光計で回避できます。入射光計は、光センサーの上に平らなまたは (より一般的には) 半球形の視野を持つ拡散板を配置して、被写体に当たる光の量を測定します。入射光の読み取りは被写体の反射率とは無関係であるため、平均反射率が通常とは異なる被写体に対して誤った露出につながる可能性は低くなります。入射光の読み取りを行うには、被写体の位置にメーターを置き、カメラの方向に向ける必要がありますが、これは実際には必ずしも実現できるとは限りません。たとえば、被写体との距離が無限に近づく 風景写真などです。

反射率が異常な被写体の露出不足や露出過剰を避けるもう 1 つの方法は、スポット メーターを使用することです。スポット メーターは、通常 1 度の円形視野角で、非常に狭い円錐内の光を測定する特殊な反射光メーターです。経験豊富な写真家は、ゾーン システムなどのシステムを使用して、シーンの影、中間、ハイライトを複数回測定し、最適な露出を決定できます。

最近のカメラの多くには、シーンのさまざまな部分の輝度を測定して最適な露出を決定する高度なマルチセグメント測光システムが搭載されています。オルソクロマティック白黒フィルムや赤外線フィルムなど、スペクトル感度が露出計の感度と合わないフィルムを使用する場合は、フィルムの感度に合わせるために、露出計に特殊なフィルターと再調整が必要になることがあります。

他にも、特殊な写真用露出計があります。フラッシュメーターは、フラッシュ撮影で適正露出を確認するために使用されます。カラーメーターは、色再現の高精度が求められる場合に使用されます。濃度計は、写真の再現に使用されます。

ほとんどの場合、入射光計では中間トーンが中間トーンとして記録され、反射光計では計測されたものが中間トーンとして記録されます。「中間トーン」を構成するものは、メーターのキャリブレーションと、フィルム処理やデジタル画像変換などのいくつかの他の要因によって異なります。

メーターのキャリブレーションは、被写体の照明と推奨カメラ設定との関係を確立します。写真用露出計のキャリブレーションは、ISO 2720:1974 で規定されています。

反射光計の場合、カメラの設定は、反射光露出方程式によって ISO 速度と被写体の輝度に関連付けられます。

${\displaystyle {\frac {N^{2}}{t}}={\frac {LS}{K}}}$

どこ

• ${\displaystyle N}$相対的な絞り（F値）
• ${\displaystyle t}$露出時間（シャッタースピード）は秒数です
• ${\displaystyle L}$シーンの平均輝度
• ${\displaystyle S}$ISO演算速度は
• ${\displaystyle K}$反射光計の校正定数

入射光計の場合、カメラの設定は入射光露出方程式によって ISO 速度と被写体の照度に関連付けられます。

${\displaystyle {\frac {N^{2}}{t}}={\frac {ES}{C}}}$

どこ

• ${\displaystyle E}$照度は
• ${\displaystyle C}$入射光計の校正定数である

校正定数の決定は主に主観的であり、ISO 2720:1974では次のように規定されている。

定数およびは、被写体のさまざまな条件および輝度の範囲で取得された露出がわかっている多数の写真が、多数の観察者に受け入れられるかどうかを判断するために実行された多数のテストの結果を統計的に分析することによって選択されるものとする。 ${\displaystyle K}$${\displaystyle C}$

実際には、メーカー間の校正定数のばらつきはこの記述が示唆するよりもかなり少なく、値は 1970 年代初頭からほとんど変わっていません。

^{ISO 2720:1974 では、輝度を cd/m 2}で表した場合、 の範囲を10.6 ～ 13.4 と推奨しています。 の値は12.5 ( Canon、Nikon、 Sekonic ^[8] ) と 14 ( Minolta、^[9] Kenko、^[9] Pentax ) の 2 つが一般的に使用されており、この 2 つの値の差は約1 ⁄ 6 EVです。 ${\displaystyle K}$${\displaystyle K}$

最も初期の校正基準は、広角平均反射光計で使用するために開発されました (Jones および Condit 1941)。広角平均測光は、他の測光感度パターン (スポット、中央重点、マルチセグメントなど) に大きく取って代わられましたが、広角平均測光用に決定された値はそのまま残っています。 ${\displaystyle K}$

入射光較正定数は、光受容体のタイプによって異なります。一般的な受容体のタイプは、平面型 (コサイン応答) と半球型 (カーディオイド応答) の 2 つです。平面受容体の場合、ISO 2720:1974 では、照度をルクスで表した の範囲を 240 ～ 400 とすることを推奨しています。一般的には 250 という値が使用されます。平面受容体は通常、照明比の測定や照度の測定に使用され、場合によっては平面の被写体の露出を決定するために使用されます。 ${\displaystyle C}$

実際の露出を決定するには、半球状の受光器の方が効果的であることが証明されています。半球状の受光器を備えた入射光式露出計を発明したドン・ノーウッドは、球体が写真の被写体の適切な表現であると考えました。彼の特許（ノーウッド 1938）によると、目的は

実質的にあらゆる方向から被写体に入射し、カメラまたは他の写真記録装置に光が反射する光に対して実質的に均一に反応する露出計を提供する。

そして、このメーターは「被写体の位置で得られる有効照明の測定」を目的としていました。

半球形レセプタの場合、ISO 2720:1974 では、照度をルクスで表した の範囲を320 ～ 540 と推奨しています。実際には、値は通常 320 (ミノルタ) ～ 340 (セコニック) の間です。平面レセプタと半球形レセプタの相対的な応答は、光源の数と種類によって異なります。各レセプタを小さな光源に向けると、= 330 の半球形レセプタは、 = 250 の平面レセプタが示す露出よりも約 0.40 ステップ大きい露出を示します。照度の定義がわずかに変更されたため、半球形レセプタによる測定は「有効なシーン照度」を示します。 ${\displaystyle C}$${\displaystyle C}$${\displaystyle C}$

反射光計は18%の反射率に校正されているとよく言われますが^[10]、この校正は反射率とは何の関係もありません。これは露出計算式からも明らかです。しかし、入射光計と反射光計の校正を比較すると、反射率の概念が多少はわかります。

反射光と入射光の露出方程式を組み合わせて整理すると、

${\displaystyle {\frac {L}{E}}={\frac {K}{C}}}$

反射率は次のように定義される。 ${\displaystyle R}$

${\displaystyle R={\frac {\mbox{表面から放射されるフラックス}}{\mbox{表面に入射するフラックス}}}}$

均一な完全拡散体（ランベルトの余弦法則に従うもの）の輝度はのフラックス密度を放射し、反射率は ${\displaystyle L}$${\displaystyle \pi}$${\displaystyle L}$

${\displaystyle R={\frac {\pi L}{E}}={\frac {\pi K}{C}}}$

照度は平面受容器で測定されます。平面受容器を使用した入射光測定と、均一に照らされた一定の反射率の平面表面の反射光測定を比較するのは簡単です。 の値を12.5 、 の値を250とすると、 ${\displaystyle K}$${\displaystyle C}$

${\displaystyle R={\frac {\pi \times 12.5}{250}}\approx 15.7\%}$

が 14 の場合、反射率は 17.6% となり、標準の 18% 中性テスト カードの反射率に近くなります。理論上は、入射光の測定値は、メーターの方向に対して垂直な適切な反射率のテスト カードの反射光の測定値と一致するはずです。ただし、テスト カードが均一な拡散板であることはめったにないため、入射光と反射光の測定値はわずかに異なる場合があります。 ${\displaystyle K}$

典型的なシーンでは、多くの要素が平らではなく、カメラに対してさまざまな方向を向いているため、実際の写真撮影では、露出を決定するために半球状の受容体の方が効果的であることが証明されています。 の値を12.5 、 の値を330とすると、 ${\displaystyle K}$${\displaystyle C}$

${\displaystyle R={\frac {\pi \times 12.5}{330}}\approx 11.9\%}$

反射率の定義を少し変更すると、この結果は、シーンの平均反射率が約 12% であることを示していると解釈できます。一般的なシーンには、日陰の領域と直接照明を受ける領域が含まれており、広角平均反射光計は、これらの照明の違いと、シーンのさまざまな要素の異なる反射率に反応します。したがって、シーンの平均反射率は次のようになります。

${\displaystyle {\mbox{average scene reflectance}}={\frac {\mbox{average scene luminance}}{\mbox{effective scene illuminance }}}}$

ここで、「有効なシーン照度」は、半球形の受光器を備えたメーターによって測定された照度です。

ISO 2720:1974 では、反射光の校正は受容器を透過照明された拡散面に向けて測定し、入射光の校正は受容器を暗い部屋の点光源に向けて測定することを求めています。完全に拡散するテスト カードと完全に拡散する平面受容器の場合、反射光の測定値と入射光の測定値の比較は、光源のどの位置でも有効です。ただし、半球形受容器の軸外光源に対する応答は、コサインではなくカーディオイドにほぼ等しいため、半球形受容器を備えた入射光計で測定された 12% の「反射率」は、光源が受容器の軸上にある場合にのみ有効です。

内蔵メーターを備えたカメラの校正はISO 2721:1982でカバーされていますが、多くのメーカーは（めったに明記されていないものの）露出校正を で指定しており、多くの校正機器（例えば、Kyoritsu-Arrowin多機能カメラテスター^[11]）は指定された を使用してテストパラメータを設定しています。 ${\displaystyle K}$${\displaystyle K}$

シーンが統計的に平均的なシーンと大幅に異なる場合、広角平均反射光測定では正しい露出が示されない可能性があります。平均的なシーンをシミュレートするために、ニュートラル テスト カードまたはグレー カードを使用して代替測定が行われることがあります。

平面のカードはせいぜい 3 次元のシーンに近似したもので、調整を行わない限りテスト カードの測定は露出不足になる可能性があります。コダック ニュートラル テスト カードの説明書では、太陽光の下の前照シーンでは、示された露出を1 ⁄ 2ステップ増やすことを推奨しています。また、説明書ではテスト カードを垂直に持ち、太陽とカメラの中間の方向に向けることを推奨しています。同様の指示がコダック プロフェッショナル フォトガイドにも記載されています。露出の増加とカードの向きの組み合わせにより、軸外光源で測光する場合に半球状の受光部を備えた入射光計によって得られる露出にかなり近い推奨露出が得られます。

実際には、さらに複雑な問題が発生する可能性があります。多くのニュートラル テスト カードは完全な拡散反射とはほど遠く、鏡面反射によって反射光メーターの測定値が増加する可能性があり、それに従うと露出不足になります。ニュートラル テスト カードの指示に鏡面反射の補正が含まれている可能性があります。

照度計または光検出器は照明にも使用されます。その目的は、室内の照度レベルを測定し、照明器具をオフにしたり、出力レベルを下げることです。これにより、照明システムの効率が大幅に向上し、建物のエネルギー負荷を大幅に削減できます。したがって、照明システム、特にユーザーが手動で照明をオフにすることに注意を払うことが期待できない部屋では、照度計を使用することをお勧めします。例としては、廊下、階段、大きなホールなどがあります。

しかし、照明システムに光量計をうまく実装するには、克服すべき大きな障害があります。その中でも、ユーザーの受け入れは群を抜いて困難です。予期しない切り替えや頻繁すぎる切り替え、明るすぎる部屋や暗すぎる部屋は、部屋のユーザーにとって非常に迷惑で不安なものです。そのため、さまざまな切り替えアルゴリズムが開発されました。

• 差分アルゴリズムでは、ライトがオフになるときよりも低い光レベルでオンに切り替えられるため、オン状態とオフ状態の光レベルの差が大きくなりすぎないようにすることができます。
• 時間遅延アルゴリズム:
  • 最後の切り替えから一定の時間が経過している必要がある
  • 十分な照明レベルで一定時間が経過する必要があります。

科学研究開発の用途では、露出計は、放射計(電子機器/読み取り部)、フォトダイオードまたはセンサー (電磁放射/光にさらされると出力を生成)、フィルター (入射光を修正して、必要な入射光の部分だけがセンサーに到達するようにする)、およびコサイン補正入力光学系 (センサーがあらゆる方向から入射する光を正確に検出できるようにする) で構成されます。

光度計または光度計という単語が放射計またはオプトメーターの代わりに使用されている場合、システムは可視光のみを検出するように構成されていると想定されることがよくあります。可視光センサーは、人間の目の光に対する感度を模倣して 400 ～ 700 ナノメートル (nm) のみに感度を持つようにフィルタリングされているため、照度センサーまたは光度測定センサーと呼ばれることがよくあります。メーターの測定精度は、フィルタリングが人間の目の反応にどれだけ適合しているかによって決まります。

センサーは、光学部品によって集められ、フィルターを通過した後、センサーに到達する光の量に比例する信号をメーターに送信します。メーターは、センサーからの入力信号 (通常は電流または電圧) を、フートカンデラ (fc) やルクス (lm/m^2) などの較正済み単位の読み取り値に変換します。fc またはルクスでの較正は、光度計の 2 番目に重要な機能です。V または mA から信号を変換するだけでなく、精度と単位間の再現性も提供します。米国国立標準技術研究所(NIST) トレーサビリティとISO/IEC 17025認定は、システムに有効な較正が含まれていることを確認する 2 つのよく知られた用語です。

メーター/放射計/光度計部分には、次のような多くの機能があります。

ゼロ:周囲光/背景光レベルを減算するか、メーターを作業環境に安定させます

ホールド:ディスプレイ上の値を固定します。

範囲:線形および自動範囲設定ではないシステムの場合、この機能により、ユーザーは、使用中の信号レベルを最もよく処理するメーター電子機器の部分を選択できます。

単位:照度の単位は通常、ルクスとフットカンデラのみですが、多くの光度計は UV、VIS、IR アプリケーションにも使用できるため、読み取り値は W/cm^2、カンデラ、ワットなどに変更できます。

積分:値を線量または露出レベル (lux*sec または J/cm^2) に合計します。

さまざまな機能を備えているだけでなく、光度計はさまざまな用途に使用できます。これには、UVA、UVB、UVC、近赤外線などの他の光帯域の測定が含まれます。たとえば、UVA および UVB 光度計は光線療法や皮膚疾患の治療に使用され、殺菌放射計は消毒や滅菌に使用されるランプからの UVC レベルの測定に使用され、輝度計は標識、ディスプレイ、または出口標識の明るさの測定に使用され、PAR 量子センサーは特定の光源の放射が植物の成長にどの程度役立つかを測定するために使用され、UV 硬化放射計は接着剤、プラスチック、または保護コーティングを硬化させるのに効果的な光の放射の量をテストします。

一部の光度計は、さまざまな単位で表示することもできます。可視光の一般的な単位はルクスとフートカンドルですが、カンデラ、ルーメン、カンデラ/平方メートルも一般的です。消毒の分野では、UVC は通常、ワット/平方センチメートル、または特定の個別のランプ アセンブリのワットで測定されますが、コーティングの硬化のコンテキストで使用されるシステムでは、ジュール/平方センチメートルで表示されることがよくあります。したがって、UVC 光強度を定期的に測定すると、水や食品を調理する表面が適切に消毒されているか、塗装された製品のコーティングの硬度が信頼できるかを確認できます。

光度計は、ボタン 1 つで操作できる非常にシンプルなハンドヘルド ツールの形をとることもありますが、さまざまな用途で使用できる高度な光測定システムも数多くあります。これらのシステムは、たとえば、出力の一定の低下が検出されたときにランプを拭いてきれいにしたり、ランプの故障が発生したときにアラームを発したりする自動システムに組み込むことができます。

ウィキメディア・コモンズには、露出計に関連するメディアがあります。

• セレンメーター
• 光度計|光検出器
• 色彩測定|測光測定|放射測定
• 光の値
• 非常に低いレベルの光を検出するための光電子増倍管。
• 入射光を検出するためのPIN ダイオード固体電子デバイス。

• Ctein . 1997.「Post Exposure: Advanced Techniques for the Photographic Printer」ボストン: Focal Press。ISBN 0-240-80299-3。 
• イーストマン コダック社。コダック中性テスト カードの説明書、453-1-78-ABX。ロチェスター: イーストマン コダック社。
• イーストマン コダック社。1992 年。コダック プロフェッショナル フォトガイド。コダック出版番号 R-28。ロチェスター: イーストマン コダック社。
• ISO 2720:1974.汎用写真露出計（光電式） - 製品仕様ガイド。国際標準化機構。
• ISO 2721:2013.写真 - フィルムベースのカメラ - 露出の自動制御。国際標準化機構。
• ジョーンズ、ロイド A.、HR コンディット。1941 年。「屋外シーンの明るさのスケールと写真露出の正しい計算」アメリカ光学会誌。31:651–678。
• ノーウッド、ドナルド W. 1938. 露出計。米国特許 2,214,283、1938 年 11 月 14 日出願、1940 年 9 月 10 日発行。

• ルクスメーターの問題 タングステン光源以外の光 (蛍光灯、メタルハライド、ナトリウム、LED など) を測定する場合、ルクスメーターが誤った値を示す可能性があることを示唆する記事。
• 露出計測: 被写体の照明とフィルムの露出の関係 ( PDF ) メーターのキャリブレーションとその実際的な効果について説明します。
• 輝度と照度の推定 ( PDF ) カメラの露出計の使用に関する Kodak ガイド。
• 光測定の基本原理 International Light Technologiesによる基本原理に関する記事