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光学において、光学系（単一レンズからなる系を含む）の開口部とは、系を通過する光を主に制限する穴または開口部のことである。開口部は、物体上の各点から発せられる光線の束を定義し、それらの光線は像面で焦点を結ぶ。
光学系には、光線束（光線束は光のペンシルとも呼ばれる）を制限する構造が多数あります。これらの構造は、レンズやミラーの端、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、またはシステムに入る光を制限するために光路に配置された絞りなどの特殊な要素である場合があります。これらの構造はストップと呼ばれ、[ 2 ]、開口ストップは、光学系が受け入れる光線の円錐を主に決定するストップです（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）。光学系は通常、特定のストップが開口ストップとなるように設計されていますが、異なる距離にある物体に対して異なるストップを開口ストップとして使用することも可能です。光軸から離れた物体点からの光線の一部は、開口ストップ以外の面でクリッピングされることがあります。これはビネットと呼ばれます。[ 3 ]開口ストップは、必ずしもシステム内で最小のストップであるとは限りません。レンズやその他の要素による拡大縮小によって、比較的大きな絞り値がシステム全体の絞り値となる場合がある。
写真や天文学など、特定の分野では、開口とは光が通過できる絞りの開口部の直径を指します。例えば、望遠鏡では、絞りは通常、対物レンズや鏡（またはそれらを保持する架台）の端です。そのため、望遠鏡の開口は、例えば100センチメートル（39インチ）である、などと表現されます。天体写真では、開口は線形寸法（例えば、インチやミリメートル）で表される場合もあれば、その寸法と焦点距離との無次元比で表される場合もあります。その他の写真分野では、通常、比率で表されます。
一般的には、アパーチャという用語は絞りの開口部を指すと考えられていますが、実際には、アパーチャと絞りという用語は混同して使われています。場合によっては、光学系の絞りではない絞りもアパーチャと呼ばれることがあります。これらの用語は文脈によって区別する必要があります。
「開口部」という言葉は、特定の領域外の光を遮断するシステムを示すために他の文脈でも使用されます。たとえば、天文学では、星の周りの測光開口部は通常、星の像の周りの円形の窓に対応し、その内部の光強度が想定されます。[ 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、像面／フィルム面に到達する光量を制限することです。これは、絞りのサイズの実際的な限界による不可避的な場合もあれば、検出器の飽和やフィルムの過剰露光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系が取り込む光量が決まります。絞りは、光学系の他の特性にも影響を与えます。
写真レンズには、絞りに加えて、視野を制限する1つ以上の視野絞りが備わっている場合があります。視野がレンズ内の視野絞りによって制限される場合（フィルムやセンサーではなく）、周辺光量落ちが発生します。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となります。
天文学において、開口絞り（開口径）の開口径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、遠方の天体から最大限の光を集めるためには、開口径はできるだけ大きくしたいものです。しかし実際には、製造コストや製造時間、重量、そして（前述の）収差の防止といった要素によって、開口径の大きさは制限されます。
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 ]レーザーアプリケーションには、空間フィルター、Qスイッチング、高強度X線制御などがあります。
光学顕微鏡において、「開口部」という用語は、コンデンサー（試料視野への光の角度を変える）、視野絞り（試料への照明領域を変える）、または対物レンズ（一次像を形成する）のいずれかを指す場合があります。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到達する光量を制御できます。シャッタースピードの変化と組み合わせることで、絞りの大きさはフィルムやイメージセンサーへの光の照射量を調整します。一般的に、十分な光量を確保するには、シャッタースピードを速くするために大きな絞りが必要となり、露出過多を避けるためには、シャッタースピードを遅くするために小さな絞りが必要になります。
絞りと呼ばれる装置は通常、絞りストップとして機能し、絞り（絞りの開き具合）を制御します。絞りは目の虹彩とよく似た働きをし、レンズ開口部の実効直径（目の瞳孔）を制御します。絞りのサイズを小さくする（F値を大きくする）と、センサーに届く光量が減り、同時に被写界深度が深くなります（センサーに到達する像光の円錐の角度が制限されるため）。被写界深度とは、実際の焦点面よりも近い、または遠い被写体がどの程度ピントが合っているように見えるかを示すものです。一般的に、絞りが小さいほど（F値が大きいほど）、ピントが合っているように見える被写体は、焦点面からより遠くにあっても構いません。
レンズの絞りは通常、焦点距離と有効開口径（入射瞳の直径）の比であるF値で表されます。レンズには通常、F値を設定できる一連の「Fストップ」マークが付いています。F値が小さいほど絞りが大きくなり、フィルムまたはイメージセンサーに到達する光量が増えます。写真用語の「1 Fストップ」とは、F値が√2 （約1.41 ）変化することを指し、これは開口径が√2変化することに対応し、さらに開口面積が2倍変化することで光量が2倍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。写真家が絞り値を選択すると、カメラがシャッタースピード、場合によってはISO感度も決定して適切な露出を実現します。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一般的な絞り範囲は、f /2.8 – f /22またはf /2 – f /16程度で、 6 段分に及びます。 [ 7 ]これは、それぞれ 2 段ずつの広角、中角、狭角に分けられ、おおよそ (概数を使用) f /2 – f /4、f /4 – f /8、f /8 – f /16、または (より暗いレンズの場合) f /2.8 – f /5.6、f /5.6 – f /11 、 f /11 – f /22 となります。これらは明確な区分ではなく、特定のレンズによって範囲が異なります。
特定のレンズの仕様には、通常、最大および最小の絞り値（開口部）が含まれます。たとえば、f /0.95 – f /22などです。この場合、f /0.95は現在の最大絞り値（実用的なフルサイズフォーマットでの最大開口部[ 8 ]）であり、f /22は最小絞り値（最小開口部）です。最大絞り値は最も関心を集めやすく、レンズの説明には必ず含まれています。この値は露光時間に影響するため、レンズの「スピード」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取り込まれる光量に比例するため、絞り径は取り込まれる光量の平方根に比例し、したがって必要な露光時間の平方根に反比例します。つまり、f /2の絞り値では、 f /4の4分の1の露光時間で済みます。（絞り面積はf /2がf /4の4倍です。）
絞りがf /2.8以上開いているレンズは「明るい」レンズと呼ばれますが、具体的な基準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f /6より広い絞りが明るいと考えられていました。[ 9 ]一般的な35 mm フィルムフォーマットで一般的に生産されている最も明るいレンズは、絞りがf /1.2またはf /1.4で、f /1.8やf /2.0のものが多く、f /2.8 以下で遅いものも多くあります。f /1.0は珍しいですが、一部で使用されています。「明るい」レンズを比較する場合、使用するイメージ 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、大判写真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ている光学要素ははるかに小さく、安価にすることができます。
例外的な状況では、レンズは f 値が 1.0 より小さい、さらに広い絞り値を持つことがあります。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値がf /0.95です。[ 10 ] 2010 年代初頭には、コシナ フォクトレンダーf /0.95ノクトン (数点が10.5～60 mm の範囲）およびf /0.8（ マイクロフォーサーズシステム用の29mm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）アルガス35mm f / 0.95 。[ 8 ]
映画用カメラのプロ用レンズの中には、 f /0.75という非常に小さい f 値を持つものもあります。スタンリー・キューブリック監督の映画『バリー・リンドン』では、映画史上最も明るいレンズであるNASA/Zeiss 50mm f/0.7 [ 12 ]を使用してろうそくの光で撮影されたシーンがあります。高価なだけでなく、これらのレンズは被写界深度 (DOF)が浅くなるため用途が限られています。シーンは浅いか、遠くから撮影するか、または大幅にピントがずれている必要がありますが、これは望ましい効果である場合もあります。
ズームレンズは通常、ズーム範囲全体で最大相対絞り（最小F値）がf /2.8からf /6.3の範囲にあります。ハイエンドレンズはf /2.8やf /4などの一定の絞り値を持ち、ズーム範囲全体で相対絞りが一定に保たれます。より一般的なコンシューマー向けズームレンズは、焦点距離が長いほど最大相対絞りを焦点距離に比例させるのが難しく、コストも高くなるため、最大相対絞りが可変になっています。f /3.5からf / 5.6は、コンシューマー向けズームレンズによく見られる可変絞り範囲の一例です。
対照的に、最小絞りは焦点距離に依存しません 。絞りがどれだけ狭くなるかによって制限され、レンズの設計によって制限されるわけではありません 。また、一般的には実用性に基づいて選択されます。非常に小さな絞りは、絞り端での回折によりシャープネスが低下し、被写界深度の増加は一般的に有用ではないため、そ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f /16、f /22、またはf /32ですが、大判カメラではf /64まで小さくなる場合があり、グループ f/64という名称に反映されています。ただし、マクロ撮影では被写界深度が重要な懸念事項であり、そこではより小さな絞りが見られます。たとえば、Canon MP-E 65mmは、（倍率により）f /96という小さな実効絞りを持つことができます。Lensbabyクリエイティブレンズのピンホール光学系は、わずかf /177の絞りを持っています。[ 13 ]
光学系によって捕捉される光量は、システムの開口部の物体空間側の像である入射瞳の面積に比例し、次の式で表される。
ここで、2 つの等価な形式は、焦点距離fと入射瞳径Dを用いて、f 値N = f / Dによって関連付けられます。
焦点距離が同じ2つのレンズを比較する場合、焦点距離の値は不要です。代わりに1という値を使用することができ、他の要素も省略できるため、面積比はf値の2乗の逆数になります。
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、同じ画角と絞り面積を持つ場合、シーンから取り込む光量は同じになります。ただし、この場合、焦点面における相対照度はF値Nのみに依存するため、フォーマットサイズが大きく、焦点距離が長く、F値が高いカメラの方が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ことを前提としています。
トルケル・コーリングは1933年にはすでにグラフレックス大判一眼レフ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一眼レフカメラのすべてにこの機能が搭載されていたわけではなかった。絞りが小さいとファインダーが暗くなり、見ること、ピント合わせ、構図を決めることが難しくなった[ 15 ] 。コーリングの設計では、シャッターを切ると事前に選択した絞り値まで絞りが閉じ、同時にフラッシュユニットの発光と同期して、絞りを最大にして正確なピント合わせができるようにした。1956年からは、一眼レフカメラメーカーが独自に自動絞り制御（ミランダT「圧力自動絞り」、およびエクザクタ・ヴァレックスIIaやプラクティカFX2などの他のソリューション）を開発し、レンズの最大絞りで見ることができ、露光時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ができるようになった。[ 16 ]内部（ 「スルーザレンズ」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 スポットマチック）では、露出計の読み取りを行う際にレンズを作動絞りまで絞り込む必要がありました。後継機種では、レンズとカメラ本体の間に機械的な連結が組み込まれ、露出のために作動絞りをカメラに示しつつ、構図とピント合わせ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。
一部のレンズ、例えば長焦点望遠レンズ、蛇腹に取り付けられたレンズ、パースペクティブコントロールレンズやティルト/シフトレンズなどでは、機械的なリンク機構は実用的ではなく、[ 16 ]自動絞り制御は提供されませんでした。このようなレンズの多くは、「プリセット」絞りと呼ばれる機能を搭載しており、[ 16 ] [ 17 ]レンズを作業絞りに設定してから、絞り制御を見なくても作業絞りと最大絞りを素早く切り替えることができます。典型的な操作としては、大まかな構図を決め、測光用に作業絞りを設定し、フォーカスと構図、ピントの最終確認のために最大絞りに戻し、最後に露光直前に作業絞りに戻す、といった手順が考えられます。絞り込み測光よりはやや簡単ですが、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態がありますが、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方式で、一方のリングで絞りを設定し、もう一方のリングで作業絞りに切り替える際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、ニコン PC Nikkor 28 mm f /3.5や SMC Pentax Shift 6×7 75 mm f /4.5などがあります。ニコン PC Micro-Nikkor 85 mm f /2.8Dレンズには、押すと作動絞りが設定され、もう一度押すと最大絞りに戻る機械式のプッシュボタンが搭載されています。
1987年に発売されたキヤノンEFレンズ[ 18 ]は電磁絞り[ 19 ]を備えており、カメラとレンズ間の機械的なリンクが不要になり、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った。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 ]も電磁絞り[ 21 ]を備えており、この機能は2013年にEタイプシリーズにも拡張された。
最適な絞り値は、光学系（被写体の奥行きと回折の関係）とレンズの性能の両方に依存します。
光学的には、レンズを絞り込むと、被写界深度 (DOF) の限界におけるデフォーカスぼけは減少しますが、回折ぼけは増加します。これら 2 つの相反する要素の存在は、合成ぼけスポットが最小になる点があることを示唆しています ( Gibson 1975、64 )。その点では、この特定の被写界深度に対して、f値が画像の鮮明さに最適になります[ 22 ] – 絞りを広くする ( f値が低い) とデフォーカスが大きくなり、絞りを狭くする ( f値が高い) と回折が大きくなります。
性能面から見ると、レンズは開放絞りでは最適な性能を発揮しないことが多く、一般的に絞り込んだ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考慮しない、焦点面におけるシャープネスのことです。ある一定の絞り値を超えると、それ以上絞り込んでもシャープネスの向上は見られず、絞り端で発生する回折が画質に大きな影響を与え始めます。そのため、レンズにもよりますが、一般的にはf /4～f /8の範囲で最適なシャープネスが得られます。ただし、開放絞りで最適な性能を発揮するように設計されたレンズもあります。この最適な絞り値の程度はレンズによって異なり、実用上の影響についても意見が分かれます。
最適な絞り値は機械的に決定できますが、必要なシャープネスの程度は、画像がどのように使用されるかによって異なります 。最終画像が通常の条件下（たとえば、8″×10″の画像を10″の距離で見る場合）で表示される場合は、必要な最小限のシャープネスの基準を使用してf値を決定すれば十分であり、ぼけた部分のサイズをさらに小さくしても実際的なメリットはないかもしれません。しかし、最終画像がより厳しい条件下（たとえば、非常に大きな最終画像を通常の距離で見る場合、または画像の一部を通常のサイズに拡大する場合）で表示される場合は、これ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、可能な限り最大のシャープネスを取得することで、後で大きな最終画像を作成するという決定を下すことができると示唆しています。臨界シャープネスも参照してください。
多くの生体光学系において、眼は虹彩によって構成されており、虹彩は光が入る瞳孔の大きさを調節します。虹彩は絞りに相当し、瞳孔（虹彩の調節可能な開口部）は開口部に相当します。角膜での屈折により、有効開口部（光学用語では入射瞳）は物理的な瞳孔径とわずかに異なります。入射瞳の直径は通常約4mmですが、順応の一環として、明るい場所では直径2mm（f /8.3 ）まで狭くなり、暗い場所では8mm（f /2.1）まで広がることがあります。まれに、一部の人は瞳孔を8 mm以上に拡張できることがあります（暗所照明下では、虹彩の物理的な限界に近い）。人間の平均的な虹彩の直径は約11.5 mmです[ 23 ]。これは当然、瞳孔の最大サイズにも影響し、虹彩の直径が大きいほど、瞳孔は虹彩が小さい人よりも大きく拡張できます。最大拡張瞳孔サイズは年齢とともに減少します。
虹彩は、副交感神経系と交感神経系によってそれぞれ支配される括約筋と散大筋という2組の相補的な筋肉によって瞳孔の大きさを制御し、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）だけでなく、感情状態、注意の対象への関心、覚醒、性的刺激[ 24 ]、身体活動[ 25 ] 、調節状態[ 26 ] 、認知負荷[ 27 ]など、さまざまな要因によって大きく影響を受けます。視野は瞳孔の大きさによって影響を受けません。
一部の人は、虹彩筋を直接手で意識的に制御することができ、命令に応じて瞳孔を収縮および拡張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、実際のF値よりも35mm相当の絞り範囲の方が重要視されることがあります。相当絞りとは、35mm相当の焦点距離を持つレンズで、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値のことです。相当F値が小さいほど、被写体からの光量が多くなり、画像品質が向上するとともに、被写界深度が浅くなることが期待されます。例えば、ソニーのCyber-shot DSC-RX10は、1インチセンサー、24～200mm の焦点距離で、ズーム範囲全体で最大絞りが一定です。f / 2.8の相当絞り範囲はf /7.6で、これはセンサーサイズの小さい他のf /2.8カメラよりも低い相当F値です。 [ 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付けられています。[ 30 ]絞りのf値は、レンズの特性のみに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ません。代わりに、センサーサイズが小さいことによるクロップファクターの増加は、被写体を均等にフレーミングするためには、より遠くから写真を撮影する必要があることを意味し、その結果、背景のぼやけが少なくなり、知覚される被写界深度が変化します。同様に、同等の絞りを持つセンサーサイズが小さいと、同等のメガピクセルを持つ小型センサーのピクセル密度により、画像が暗くなります。カメラのセンサー上の各フォトサイトは、光に感応しない一定量の表面積を必要とし、この要因により、ピクセルピッチの違いと信号対雑音比の変化が生じます。しかし、被写界深度の変化[ 31 ]も、知覚される光感度の変化[ 32 ]も、絞りの結果ではありません。その代わりに、等価絞りは、画素密度や被写体からの距離といった特性が画像の変化の実際の原因であるとしても、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目安として考えることができる。
走査開口とサンプリング開口という用語は、ドラムスキャナ、イメージセンサ、テレビ集光装置などで、画像をサンプリングまたは走査する開口部を指す場合によく用いられます。サンプリング開口は、文字通りの光学的な開口部、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の開口部である場合もあります。
例えば、フィルムの粒子は、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って、粒状性として定量化される。
『ポータル』の架空の世界に登場する架空の企業、アパーチャサイエンスは、光学システムにちなんで名付けられました。同社のロゴには開口部が大きく描かれており、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サイエンス・コンピュータ支援型エンリッチメントセンターの象徴となっています。 [ 33 ]
