ピンホールカメラ

ピンホールカメラは、レンズがなく、小さな開口部（いわゆるピンホール）を備えた単純なカメラで、実質的には片側に小さな穴がある遮光ボックスです。シーンからの光は開口部を通過し、ボックスの反対側に反転した画像を投影します。これはカメラオブスキュラ効果として知られています。画像のサイズは、オブジェクトとピンホールの間の距離によって異なります。

毎年4月の最終日曜日は世界ピンホール写真の日です。^[1]

歴史

カメラオブスキュラ

カメラオブスキュラまたはピンホール像は、自然の光学現象です。初期の記述は、中国の墨子（紀元前500年頃）^[2]とアリストテレス問題集（紀元前300年頃 - 紀元後600年頃）^{[3]に見られます。}

アルハゼンとしても知られるアラブの物理学者イブン・アル＝ハイサム（965-1039）は、カメラ・オブスクラ効果について記述した。何世紀にもわたって、他の人々も、主にシャッターの小さな開口部のある暗い部屋で、光の性質を研究し、安全に日食を観察するために、この効果の実験を始めた。^[4]

ジャンバッティスタ・デッラ・ポルタは1558年に著書『博物学の魔術』の中で、凹面鏡を使って画像を紙に投影し、描画の補助として使用することについて書いている。^[5]しかし、ほぼ同時期に、ピンホールの代わりにレンズを使用するようになった。17世紀には、レンズ付きのカメラ・オブスキュラが描画補助器具として人気を博し、最初は小さなテント型、後には箱型へと進化した。19世紀初頭に開発された写真用カメラは、基本的に箱型のレンズ付きカメラ・オブスキュラを改良したものだった。

光学の文脈における「ピンホール」という用語は、ジェームズ・ファーガソンの1764年の著書『力学、流体静力学、空気圧、光学における選択された主題に関する講義』に見られる。^[6]^[7]

初期のピンホール写真

初期のピンホールカメラ。光は小さな穴を通って暗い箱に入り、穴の反対側の壁に反転した像を作ります。^[8]

ピンホール写真法に関する最初の記述は、スコットランドの発明家デイヴィッド・ブリュースターが 1856 年に著した『ステレオスコープ』に見られ、そこには「レンズがなく、ピンホールのみを備えたカメラ」というアイデアの説明も含まれている。

ウィリアム・クルックス卿とウィリアム・デ・ウィヴレスリー・アブニーもピンホール技術を試みた初期の写真家であった。^[9]

フィルムとインテグラルフォトグラフィーの実験

発明家のウィリアム・ケネディ・ディクソンによると、トーマス・エジソンと彼の研究者による動画に関する最初の実験は1887年頃に行われ、「円筒形のシェルに置かれた極小のピンポイント写真」が使用されました。円筒のサイズは蓄音機の円筒に対応しており、動画と音声録音を組み合わせたかったのです。鮮明な画像を「驚異的な速度で」記録することや、画像を拡大したときの写真乳剤の「粗さ」の問題が起こりました。極小のピンポイント写真はすぐに放棄されました。^[10] 1893年、セルロイドフィルムストリップに動画を映すキネトスコープがようやく導入されました。キネトグラフと呼ばれる画像を記録するカメラにはレンズが取り付けられていました。

ウジェーヌ・エスタナーヴはインテグラル・フォトグラフィーの実験を行い、1925年にその結果を発表し、その研究結果をLa Nature誌に発表した。1930年以降、彼はレンチキュラースクリーンの代わりにピンホールを使って実験を続けることを選択した。^[11]

使用法

ピンホールカメラの像は、半透明のスクリーンに投影してリアルタイムで観察したり（日食の安全な観察に使用）、紙に像をトレースしたりすることができます。しかし、ピンホール開口部の反対側の表面に写真フィルムまたは印画紙を置いてピンホール写真撮影を行う際には、半透明のスクリーンを使わずに使われることの方が多いです。

ピンホール写真の一般的な用途は、長期間にわたる太陽の動きを捉えることです。このタイプの写真はソラリグラフィーと呼ばれます。ピンホール写真は芸術的な理由で使用されますが、生徒に写真の基礎を学ばせ、実験させる教育目的にも使用されます。

CCD（電荷結合素子）を搭載したピンホールカメラは、検出が困難なため監視に使用されることがあります。

関連するカメラ、画像形成装置、またはそこから発展したものとしては、フランケの広視野ピンホールカメラ、ピンスペックカメラ、ピンヘッドミラーなどがあります。

現代の製造技術により、デジタルカメラで使用できる高品質のピンホールレンズ^[12]の生産が可能になりました。

工事

オートミールの容器で作ったピンホールカメラ（光漏れを防ぐために不透明なプラスチックで包まれている）、印画紙の箱、フィルムを現像するためのトングと皿、フィルム現像剤のボトル — 光漏れを防ぐために黒いプラスチックで包まれた自家製のピンホールカメラ（左）と関連する現像用品

ピンホールカメラは、特定の目的のために写真家が手作りすることができます。最も単純な形のピンホールカメラは、一方の端にピンホールのある遮光箱と、もう一方の端にフィルムまたはその他の感光性材料が入っています。適切な容器には、フィルムを装填しやすいように取り外し可能な蓋が付いた空の円筒形缶があり、もう一方の端 (閉じた側) にピンホールが装備されています。ピンホールカメラの組み立て手順は、126 フィルムカートリッジまたは空の缶を使用してコダック社から発行されています。^[13]ピンホールは、アルミホイルまたは薄いアルミニウムまたは真鍮のシートに、縫い針または小径のビットを使用して穴を開けたり、ドリルで開けたりすることができます。次に、このシートを遮光箱の内側にテープで貼り付けます。この内側は、箱の一方の端に切り取った穴またはドリルで開けた穴の後ろです。ピンホールを覆う厚紙のフラップを粘着テープで蝶番で留めると、シャッターとして使用できます。^[13]効果的なピンホールカメラの内部は、内部の迷光反射を抑えるために黒く塗装されています。^[13]^[14]

ピンホールカメラは、フィルムとピンホールの間の距離を調整するために、スライド式のフィルムホルダーまたはバックを使用して構築できます。これにより、焦点距離が実質的に変更され、視野角と有効なf 値比の両方に影響します。フィルムをピンホールに近づけると、視野角が広くなり、露出時間が短くなります。フィルムをピンホールから遠ざけると、望遠または狭角ビューになり、露出時間が長くなります。

ピンホールカメラは、家庭用の単純な材料の代わりに、従来のカメラのレンズアセンブリをピンホールに交換することでも作ることができます。特に、レンズとフォーカスアセンブリが破損したコンパクトな35mmカメラは、シャッターとフィルム巻き上げ機構をそのまま使用してピンホールカメラとして再利用できます。f値が大幅に増加した結果、同様の露出時間を維持するために、写真家は直射日光やその他の明るい光の条件で高速フィルムを使用する必要があります。自家製または市販のピンホールは、一眼レフカメラ（SLR）またはミラーレス一眼カメラのレンズの代わりに使用することもできます。デジタルSLRで使用すると、測光と構図を試行錯誤できます。現像は事実上無料であるため、ピンホール写真を試すのに人気の方法です。^[15]

ピンホールサイズの選択

ある程度までは、穴が小さいほど画像は鮮明になりますが、投影される画像は暗くなります。最適な値は、開口部の直径が、開口部と投影される画像との間の距離の 1 ⁄ 100以下であることです。

限られた範囲内では、薄い表面を貫通する小さなピンホールは、像面で投影される錯乱円がピンホールと実質的に同じサイズであるため、より鮮明な画像解像度をもたらします。ただし、極端に小さな穴は光の波動特性により、顕著な回折効果と鮮明度の低い画像を生み出す可能性があります。 ^[16]さらに、穴の直径が穴を開ける材料の厚さに近づくと、穴の側面が90度以外の角度で入る光を遮るため、ケラレが発生します。

最良のピンホールは、完全な円形（不規則性は高次の回折効果を引き起こすため）で、非常に薄い材料で作られています。工業的に製造されるピンホールはレーザーエッチングの恩恵を受けますが、趣味で写真作品に使用できるほど高品質のピンホールを製造することもできます。

最適なピンホール径を計算する方法は、 1857年にジョセフ・ペッツヴァルによって初めて発表されました。画像点の直径が最小になり、画像解像度と鮮明度が最大になるのは、次の条件のときです。^[17]

d={\sqrt {2f\lambda }}=1.41{\sqrt {f\lambda }}

どこ

dは

ピンホールの直径である

fは

ピンホールから像面までの距離、つまり「焦点距離」です。

λは

光の波長である

この問題に波動理論を適用した最初の人物は 1891年のレイリー卿であった。しかし、いくつかの不正確で恣意的な推論により、彼は次のような結論に達した。^[18]^[19]

d=2{\sqrt {f\lambda }}

したがって、彼の最適なピンホールは、ペッツバールのものより約 41% 大きかったことになります。

ヤング（1971）が提案したもう一つの最適なピンホールサイズは、円形開口部の後ろの回折パターンのフラウンホーファー近似を使用し、 ^[20]次のようになります。

d={\sqrt {2.44}}{\sqrt {f\lambda }}=1.562{\sqrt {f\lambda }}

これを簡略化すると、 $d$ と $fが$ ミリメートル単位で測定され、 $λが$ 可視光の中心（黄緑）波長に対応する550 nmであると仮定すると、次の式になります。ピンホールとフィルムの距離が1インチ（25.4 mm）の場合、ピンホールの直径は0.185 mmになります。f = 50 mmの場合、 $最適$ な直径は0.259 mmです。同等のfストップ値は次の式になります。 $d=0.0366{\sqrt {f}}$ 193枚。

被写界深度は基本的に無限ですが、これは光学的なぼやけが発生しないことを意味するものではありません。無限の被写界深度は、画像のぼやけが物体までの距離ではなく、絞りからフィルム面までの距離、絞りサイズ、光源の波長、被写体またはキャンバスの動きなどの他の要因に依存することを意味します。さらに、ピンホール写真では霞の影響を避けることはできません。

最適なピンホールサイズの基礎

1970年代にヤングはピンホールカメラの解像度限界をピンホール径の関数として測定し^[20]^{[21] 、後に}The Physics Teacherにチュートリアルを発表しました^[22]。彼は2つの正規化された変数を定義し、正規化された解像度限界、および正規化された焦点距離、を定義しました。ここで ${\frac {RL}{s}}$ ${\dfrac {f}{\left({\frac {s^{2}}{\lambda }}\right)}}$

RLは

解像度の限界である

s

はピンホール半径（

d

/2）

fは

焦点距離です

λ は

光の波長で、通常は約 550 nm です。

グラフの左側 (正規化された焦点距離が 0.65 未満) では、ピンホールが大きく、幾何光学が適用されます。正規化された解像度の限界は 1.5 という値でほぼ一定です。つまり、実際の解像度の限界は、正規化された焦点距離に関係なく、ピンホールの半径の約 1.5 倍になります。(偽解像度は、幾何光学の限界でも見られます。)

右側（正規化された焦点距離が 1 より大きい）では、ピンホールは小さく、フラウンホーファー回折が適用されます。解像度の限界は、グラフに示されている遠距離場回折式によって与えられ、 $f$ と $λ$ が一定であると仮定すると、ピンホールのサイズが小さくなるにつれて解像度の限界は増加します。

RL={\frac {0.61\cdot \lambda f}{s}}

ヤングが発表したこのバージョンの式では、ピンホールの直径ではなく半径が使用されるため、定数は通常の 1.22 ではなく 0.61 になります。

プロットの中央（正規化焦点距離が 0.65 から 1 の間）は近接場回折（またはフレネル回折）の領域であり、ピンホールは光をわずかに集光し、正規化焦点距離が 1 に等しいときに解像度の限界が最小になります。つまり、実際の焦点距離 $f$ （ピンホールとフィルム面の間の距離）はに等しくなります。この焦点距離では、ピンホールは光をわずかに集光し、正規化解像度の限界は約2 ⁄ 3です。つまり、解像度の限界はピンホールの半径の約2 ⁄ 3です。この場合のピンホールは、ゾーンが 1 つのフレネルゾーンプレートに相当します。値 $s$ ² / $λ は$ 、ある意味でピンホールの自然焦点距離です。^[^{出典が必要}^] ${\frac {s^{2}}{\lambda }}$

$f$ = $s$ ² / $λ$ の関係から最適なピンホール直径 $d$ = 2 √ $fλ$ が得られるため、実験値は上記の Petzval の推定値とは若干異なります。

F値と必要な露出を計算する

カメラのF 値は、ピンホールから結像面までの距離 (焦点距離) をピンホールの直径で割ることで計算できます。たとえば、ピンホールの直径が 0.5 mm で焦点距離が 50 mm のカメラの場合、F 値は 50/0.5、つまり 100 (従来の表記法ではf /100) になります。

ピンホールカメラのf値が大きいため、露出はしばしば相反則不軌に遭遇します。^[23]露出時間がフィルムの場合は約1秒、紙の場合は30秒を超えると、より長い露出時間を使用して、照明の強度に対するフィルム/紙の線形応答の崩壊を補正する必要があります。

現代の感光性写真フィルムに投影される露光時間は、通常 5 秒から数時間までの範囲で、ピンホールが小さいほど、同じサイズの画像を生成するために長い露光時間が必要になります。ピンホールカメラは長い露光時間を必要とするため、ピンホールを覆ったり開いたりする不透明素材のフラップなどを使用して、手動でシャッターを操作する場合があります。

自然のピンホール現象

ピンホールカメラ効果は、自然に発生することもあります。重なり合った木の葉の隙間にできる小さな「ピンホール」が、平らな面に太陽の複製像を作り出します。日食の際には、部分日食の場合は小さな三日月、金環日食の場合は中空のリングが映し出されます。ディスコボールも、自然の反射型ピンホールカメラ（ピンヘッドミラーとも呼ばれる）として機能することがあります。^[24]

この技術を使用する写真家

参照

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

ウィキメディア・コモンズのピンホールカメラ関連メディア

ピンホール
ウラジミール・ジヴコビッチによるピンホール写真
世界ピンホール写真デーのウェブサイト
デジタル一眼レフカメラをピンホールカメラに変える簡単な方法
ピンホール写真とカメラ設計計算機
オレゴンアートビート: ゼブアンドリュースによるピンホール写真
マイケル・ファルコによる南北戦争 150 ピンホールプロジェクト
https://vaidasphotos.com/pinhole
https://vaidasphotos.lt/pinholas/

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