露出計

初期の露出計はアクチノメーターと呼ばれ（同名の科学機器と混同しないように）、1840年には既に記述されていたが^{[ 3 ]： 415} 、感度が一定の市販の写真乾板が入手可能になった後の1800年代後半に開発された。これらの写真用アクチノメーターは感光紙を使用し、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、特定の乾板番号に対するシャッタースピードと絞りの機械的計算への入力とした^{[ 4 ]： 69。}これらは1890年頃から1920年頃まで人気があった^{[ 5 ]。}

ほぼ同時期に開発された次の露出計^{[ 3 ]： 415}は、1920年代から1930年代までアクチノメーターの人気を凌駕することはなかったが、可変減衰によって適切な露出設定を評価する消光式露出計として知られている^{[ 5 ]} 。消光式露出計の一種には、濃度が段階的に増加する中性濃度フィルターが番号または文字で一列に並んでいた。写真家は被写体の前に露出計を置き、入射光がまだ透過する最も濃度の高いフィルターを記録した。別の例として、1900年代初頭からヘイデのアクチノフォトメーターとして販売されたものでは、写真家は接眼レンズを通してシーンを観察し、シーンが見えなくなるまで露出計を回して有効濃度を変化させた^{[ 7 ]}。シーンの「消光」を引き起こすフィルターの強度に対応する文字または数字は、特定のフィルム感度に対する適切な絞りとシャッタースピードの組み合わせを示すチャートのインデックスとして使用された^{[ 4 ]： 72}

消光計は主観的な解釈と人間の目の光感受性に依存しており、光感受性は人によって異なるため、一貫性のない結果をもたらす傾向があった。^{[ 8 ]}

1932年から^{[ 9 ] : 20}電子式露出計は人間の要素を排除し、(時系列順に)セレン、CdS (1960年代)、シリコン(半導体、1970年代)光検出器を組み込んだ技術に依存するようになった。^{[ 10 ]}現代の露出計のほとんどはシリコンセンサーを使用している。^{[ 11 ] : 91}露出は針検流計またはLCD画面で表示される。

セレン光度計は光起電力センサーを使用しており、光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に直接接続するのに十分な電圧を生成するため、動作にバッテリーは不要で、完全機械式カメラでは非常に便利でした。 ^{[ 3 ]： 416 [ 10 ]： 87-88}しかし、セレンセンサーは低照度を正確に測定することはできず（通常の電球でも限界に近い値になります）、ろうそくの光、月光、星明かりなどの非常に弱い光は全く測定できません。^{[ 12 ]： 56}

CdS照度計は、光照射強度に比例して電気抵抗が減少するフォトレジスタセンサーを使用します。これらは動作にバッテリーを必要としますが、[ ^{10 ] ： 89-90、}低照度に対する感度が著しく高く、セレン電池の感度下限の約1/100の光量レベルを検出できます。[ 3 ] ^{： 417しかし、 CdS}センサーは応答速度が遅く、赤色および赤外線波長に対する感度が広いため、使用されなくなりました。^{[ 3 ]： 417 [ 12 ]： 58}

半導体センサーも光起電力型​​ですが、発生する電圧はセレン電池よりもはるかに弱く、半導体ベースの光度計は増幅回路を必要とするため、動作には電池などの電源が必要です。これらは通常、スペクトル応答が人間の目や写真フィルムに類似するように使用される材料とフィルターにちなんで、「シリコンブルーセル」（SBC）や「GaAs 」などと名付けられています。^{[ 12 ]： 59}

現代の多くの民生用静止画カメラや動画カメラには、シーン全体の光量を測定する内蔵メーターが搭載されており、それに基づいて適切な露出を概算することができます。照明を制御しながら撮影を行う写真家や映画制作者は、手持ち式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量を正確に測定し、適切な照明を使用して目的の露出レベルを実現します。

露出計は、一般的に、被写体を測定する方法に応じて、反射光式と入射光式に分類される。

反射光メーターは、撮影対象シーンから反射される光を測定します。 ^{[ 10 ]}カメラ内のメーターはすべて反射光メーターです。反射光メーターは、「平均的な」シーンに対して適切な露出を示すように校正されています。^{[ 12 ] : 74}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。反射光メーターが測定値を取得すると、反射率の差を誤って補正し、露出不足につながります。この効果により、ひどく露出不足の夕焼け写真がよく見られます。沈む太陽の明るさがカメラの露出計をだまし、カメラ内のロジックまたは写真家が注意して補正しない限り、写真はひどく露出不足でくすんだものになります。

この落とし穴（ただし、夕日の場合は除く）は、光センサーの上に平らな、または（より一般的には）半球状の視野を持つ拡散板を使用して被写体に当たる光量を測定する入射光メーターによって回避されます。^{[ 13 ]}入射光測定値は被写体の反射率に依存しないため、平均反射率が異常な被写体に対して不適切な露出につながる可能性が低くなります。入射光測定を行うには、メーターを被写体の位置に置いてカメラの一般的な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可能ではありません。たとえば、被写体までの距離が無限大に近づく風景写真では、これは不可能です。

反射率の異なる被写体の露出不足や露出過多を避けるもう一つの方法は、スポットメーターを使用することです。スポットメーターとは、非常に狭い円錐状の範囲（通常は1度の円形視野角）の光を測定する特殊な反射光メーターです。^{[ 14 ]}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、シーンのシャドウ、中間域、ハイライトで複数回測定を行い、最適な露出を決定できます。^{[ 11 ] : 102, 126}

多くの最新カメラには、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。 ^{[ 11 ]： 102}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、分光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、露出計はフィルムの感度に合わせるために特別なフィルターと再校正が必要になる場合があります。^{[ 11 ]： 89-92}

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、フラッシュ撮影時に適切な露出を確認するために使用されます。カラーメーターは、高い色再現性が求められる場合に使用されます。濃度計は、写真の複製に使用されます。

反射光式露出計の場合、カメラの設定は、反射光露出方程式によってISO感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

• ${\displaystyle N}$は相対絞り（F値）です。
• ${\displaystyle t}$は、露光時間（「シャッタースピード」）を秒単位で表したものです。
• ${\displaystyle L}$平均シーン輝度
• ${\displaystyle S}$ISO演算速度とは
• ${\displaystyle K}$は反射光計の校正定数です。

入射光式露出計の場合、カメラの設定は、入射光露出方程式によってISO感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
• ${\displaystyle C}$は入射光計の校正定数です。

校正定数の決定はこれまで主に主観的なものであった。ISO 2720:1974では次のように規定されている。

定数${\displaystyle K}$そして${\displaystyle C}$多数の観察者による受容性を判断するために実施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り選択されるものとする。これらのテストでは、被写体の様相や輝度範囲など様々な条件下で撮影された、露出が既知の多数の写真が対象となる。

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小さく、1970年代初頭から値はほとんど変化していません。

ISO 2720:1974では、以下の範囲を推奨しています。${\displaystyle K}$輝度は cd/m ²で 10.6 ～ 13.4 です。${\displaystyle K}$一般的に使用されているのは、12.5 (キヤノン、ニコン、 セコニック^{[ 15 ]} ) と 14 (ミノルタ^{[ 16 ]} 、ケンコー[ ^{16 ]}、ペンタックス)^であり、2 つの値の差は約1/6 EVです。

初期の校正標準は、広角平均反射光メーターで使用するために開発されました（Jones and Condit 1941）。広角平均測光は、スポット測光、中央重点測光、マルチセグメント測光などの他の測光感度パターンにほぼ取って代わられましたが、${\displaystyle K}$広角平均測定器用に決定されたものはそのまま残っている。

入射光校正定数は、光受像器の種類によって異なります。受像器には、平面型（コサイン応答）と半球型（心臓形応答）の2種類が一般的です。平面型受像器の場合、 ISO 2720:1974では、次の範囲を推奨しています。${\displaystyle C}$240～400の範囲で、照度はルクスで表されます。一般的には250という値が使用されます。平面受光器は通常、照明比の測定、照度の測定、そして場合によっては平面被写体の露出の決定に使用されます。

実用的な写真露出を決定するには、半球型受光器の方が効果的であることが証明されている。半球型受光器を備えた入射光露出計の発明者であるドン・ノーウッドは、球体が写真の被写体を適切に表現していると考えていた。彼の特許（ノーウッド 1938）によると、目的は

撮影対象物に入射する光に対して、カメラまたはその他の写真記録装置に反射する光が生じるほぼすべての方向からの光に対して、実質的に均一に反応する露出計を提供する。

そして、その測定器は「被写体の位置における有効照度を測定する」ためのものであった。

半球型レセプタの場合、ISO 2720:1974では、${\displaystyle C}$照度はルクスで320～540の範囲です。実際には、値は通常320（ミノルタ）から340（セコニック）の間です。平面型および半球型受光器の相対的な応答は、光源の数と種類によって異なります。各受光器が小さな光源に向けられている場合、半球型受光器は${\displaystyle C}$= 330 は、フラットなレセプターで示される値よりも約 0.40 ステップ大きい露出を示します。${\displaystyle C}$= 250。照度の定義を若干修正すると、半球型受光器による測定値は「有効シーン照度」を示す。

反射光メーターは18%の反射率で校正されているとよく言われるが^{[ 17 ]}、露出式から明らかなように、校正は反射率とは何の関係もない。しかし、入射光メーターと反射光メーターの校正を比較すると、反射率の概念が暗示される。

反射光と入射光の露光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${\displaystyle R}$は次のように定義される。

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

均一な完全拡散体（ランベルトの余弦法則に従うもの）${\displaystyle L}$フラックス密度を放出する${\displaystyle \pi }$${\displaystyle L}$反射率は

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

照度は平面受光器で測定されます。平面受光器を使用した入射光測定と、一定の反射率を持つ均一に照明された平面の反射光測定を比較するのは簡単です。12.5 の値を使用して${\displaystyle K}$そして250${\displaystyle C}$与える

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

で${\displaystyle K}$反射率が14の場合、17.6%となり、標準的な18%ニュートラルテストカードの反射率に近い値になります。理論的には、入射光の測定値は、測定器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。しかし、テストカードは均一な拡散板であることは稀であるため、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。

典型的なシーンでは、多くの要素が平面ではなく、カメラに対してさまざまな向きになっているため、実用的な写真撮影では、半球型受光器の方が露出を決定するのに効果的であることが通常証明されています。12.5 の値を使用して${\displaystyle K}$そして330は${\displaystyle C}$与える

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

反射率の定義を少し修正すると、この結果は平均シーン反射率が約 12% であることを示していると解釈できます。典型的なシーンには、日陰の部分と直接光が当たる部分が含まれており、広角平均反射光計は、これらの照明の違いとさまざまなシーン要素の反射率の違いに反応します。したがって、平均シーン反射率は次のようになります。

$平均シーン反射率 = 平均シーン輝度 / 有効シーン照度$

ここで「有効シーン照度」とは、半球型受光器を備えた測定器で測定した照度を指します。

ISO 2720:1974では、反射光校正は透過照明された拡散面に受光器を向けて測定し、入射光校正は暗室内の点光源に受光器を向けて測定するように規定されています。完全に拡散するテストカードと完全に拡散する平面受光器の場合、反射光測定値と入射光測定値の比較は、光源のどの位置でも有効です。しかし、半球型受光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近いので、半球型受光器を備えた入射光計で決定された12%の「反射率」は、光源が受光器の軸上にある場合にのみ有効です。

内部メーターを備えたカメラのキャリブレーションはISO 2721:1982で規定されていますが、多くのメーカーは露出キャリブレーションを次のように指定しています (ただし、明記されることはほとんどありません)。${\displaystyle K}$また、多くの校正機器（例えば、共立アローウィン多機能カメラテスター^{[ 18 ]}）は、指定された${\displaystyle K}$テストパラメータを設定する。

• Ctein. 1997. Post Exposure: Advanced Techniques for the Photographic Printer . Boston: 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（453-1-78-ABX）の取扱説明書。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』。コダック出版物番号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 - フィルム式カメラ - 露出の自動制御. 国際標準化機構.
• Jones, Loyd A.、および HR Condit. 1941. 屋外シーンの明るさスケールと写真露出の正しい計算。Journal of the Optical Society of America . 31:651–678 .
• 米国特許第2214283号、ドナルド・W・ノーウッド、「露出計」、1940年9月10日公開 。