写真の科学

写真科学は、写真のあらゆる側面に化学と物理学を利用する科学です。これは、カメラ、レンズ、カメラの物理的な操作、電子カメラの内部、そして写真を適切に撮影して現像するためのフィルムの現像プロセスに適用されます。^[1]

デジタルかアナログかを問わず、ほとんどの写真撮影の基本技術は、カメラ オブスキュラ効果と、3 次元のシーンを 2 次元の画像に変換する機能です。最も基本的なカメラ オブスキュラは、暗い箱の片側に非常に小さな穴が開いており、外界からの画像を反対側に投影するものです。この形式は、しばしばピンホール カメラと呼ばれます。

レンズを使用すると、鮮明で鮮明な画像を作成するためにカメラの穴を小さくする必要がなくなり、露出時間を短縮できるため、カメラを手持ちで使用できるようになります。

写真レンズは通常、複数のレンズ要素で構成されており、それらの組み合わせによって色収差、コマ収差、球面収差、およびその他の収差の影響が軽減されます。簡単な例としては、最初に設計されてから 1 世紀以上経った今でも使用されている 3 要素のCooke トリプレットがありますが、現在の多くの写真レンズははるかに複雑です。

より小さな絞りを使用すると、ほとんどの収差を減らすことができますが、全てではありません。 非球面要素を使用することで収差を大幅に減らすこともできますが、これらは球面レンズや円柱レンズよりも研磨が複雑です。 ただし、最新の製造技術により、非球面レンズの製造にかかる追加コストは減少しており、小型の非球面レンズを成形で製造できるようになったため、安価な民生用カメラでの使用が可能になりました。フレネルレンズは写真撮影では一般的ではありませんが、非常に軽量であるため、場合によっては使用されています。^[3]最近開発されたファイバー結合モノセントリックレンズは、光ファイバーの束で焦点面に結合された異なるガラスの同心半球形シェルで構成された球体で構成されています。^[4]モノセントリックレンズは、2013年10月にフロリダ州オーランドで開催されたFrontiers in Optics Conferenceで技術がデビューしたばかりであるため、カメラにも使用されていません。

すべてのレンズ設計は、コストだけでなく、さまざまな要素の間での妥協の産物です。ズーム レンズ(つまり、焦点距離が可変のレンズ) にはさらなる妥協が伴うため、通常は単焦点レンズの性能に匹敵しません。

カメラのレンズの焦点を合わせ、ある距離にある物体をフィルムまたは検出器に投影すると、遠くにある物体に比べて距離が近い物体もほぼ焦点が合います。焦点がほぼ合う距離の範囲を被写界深度といいます。被写界深度は一般に、絞り径が小さくなる（F 値が大きくなるほど）ほど深くなります。被写界深度外の焦点が合っていないぼやけた部分は、写真撮影において芸術的な効果を出すために使用されることがあります。このぼやけた部分の主観的な外観は、ボケと呼ばれます。

カメラのレンズが過焦点距離かそれを超えて焦点を合わせると、被写界深度が大きくなり、過焦点距離の半分から無限大まですべてをカバーします。この効果は、「フォーカスフリー」または固定焦点カメラを作成するために使用されます。

収差とは、光学システムのぼやけや歪みを引き起こす特性のことです。高品質のレンズでは、収差の発生が少なくなります。

球面収差は、光線がレンズに当たったときに発生する光線の屈折の増加、または光線が鏡の端近くに当たったときに発生する光線の反射が、中心近くに当たった光線と比較して増加することによって発生します。これは、球面レンズの焦点距離と中心からの距離に依存します。これは、マルチレンズ システムを設計するか、非球面レンズを使用することによって補正されます。

色収差は、異なる波長の光に対して異なる屈折率を持つレンズと、光学特性が色に依存することによって引き起こされます。一般に、青色光は赤色光よりも大きく曲がります。倍率が色に依存するなど、より高次の色収差もあります。色収差は、色収差を打ち消すように注意深く設計された材料で作られたレンズを使用することで補正されます。

曲面焦点面は、一次焦点がフィルムまたは CCD 上の位置に依存することです。これは複数のレンズの光学設計で補正できますが、フィルムを曲げる方法も使用されています。

フォーカスとは、光線がレンズを通過する場所に関係なく、画像センサーまたはフィルム上の同じ場所に到達する傾向のことです。鮮明な写真を撮るには、被写体までの距離に応じて焦点を調整します。被写体までの距離が異なれば、光線はレンズのさまざまな部分にさまざまな角度で到達するためです。現代の写真撮影では、フォーカスは自動的に行われることがよくあります。

最新のSLRのオートフォーカスシステムは、ミラーボックス内のセンサーを使用してコントラストを測定します。センサーの信号は特定用途向け集積回路(ASIC) によって分析され、ASIC はレンズ要素を移動してコントラスト パターンを最大化しようとします。最新のカメラの ASIC には、動きを予測するための特別なアルゴリズムやその他の高度な機能も備わっています。

光は波として伝播するため、フィルム上に生成されるパターンは回折と呼ばれる波動現象の影響を受け、画像の解像度は光の波長の数倍程度に制限されます。回折は、レンズを小絞り（高 f 値）に絞ったときの光学画像の鮮明さを制限する主な影響であり、収差は大絞り（低 f 値）での制限影響です。回折を排除することはできないため、特定の動作条件（絞り設定）に最適なレンズとは、品質が回折によってのみ制限される画像を生成するレンズです。このようなレンズは回折限界レンズと呼ばれます。

CCDまたはフィルム上の回折限界の光スポットサイズはF値に比例します（F値と光の波長の積にほぼ等しく、約0.0005mmです）。そのため、写真の全体的なディテールはフィルムまたはCCDのサイズをF値で割った値に比例します。11 枚目この制限は、フィルムの幅全体にわたって約 6,000 の解像度要素に相当します (36 mm / (11 * 0.0005 mm) = 6,500)。

回折によって生じる有限のスポット サイズは、遠くにある物体を区別するための基準としても表現できます。つまり、2 つの遠くにある点光源は、その角度の分離が光の波長をカメラ レンズの開口幅で割った値を超える場合にのみ、フィルムまたはセンサー上に別々の画像を生成できます。

ゼラチン銀塩プロセスは、白黒写真で最も一般的に使用される化学プロセスであり、現代のアナログカラー写真の基本的な化学プロセスです。そのため、アナログ写真に使用できるフィルムや印画紙は、画像を記録するために他の化学プロセスに依存することはほとんどありません。

ダゲレオタイプ( / d ə ˈ ɡ ɛər ( i . ) ə ˌ t aɪ p , -( i . ) oʊ -/ ^ⓘ ;^[5][6] （フランス語：daguerréotype）は、初めて公に利用可能になった写真技法であり、1840年代から1850年代にかけて広く使用されていました。「ダゲレオタイプ」は、この技法で作成された画像を指すこともあります。

コロジオン法は、初期の写真技法です。コロジオン法は、主に「コロジオン湿板法」と同義で、写真材料を約 15 分以内に塗布、感光、露光、現像する必要があり、現場での使用にはポータブル暗室が必要です。コロジオンは通常、湿った状態で使用されますが、露光時間が大幅に長くなるという欠点はあるものの、乾いた状態でも使用できます。後者の場合、乾いた状態では、19 世紀のほとんどのプロの写真家が通常行う肖像画の撮影には適していませんでした。そのため、乾いた状態での使用は、数分の露光時間でも許容できる風景写真やその他の特殊な用途に限られていました。

シアンタイプは、シアンブルーのプリントを作成する写真印刷プロセスです。エンジニアは、20 世紀に入ってからも、青写真と呼ばれる図面のコピーを作成するためのシンプルで低コストのプロセスとしてこのプロセスを使用していました。このプロセスでは、クエン酸鉄アンモニウムとフェリシアン化カリウムという 2 つの化学物質が使用されます。

プラチナプリントは、プラチノタイプとも呼ばれ、プラチナを使用したモノクロ印刷プロセスによって作成された写真プリントです。

ガム ビクロメートは、重クロム酸塩の光感度に基づいた 19 世紀の写真印刷プロセスです。写真のネガから絵画のような画像を再現できます。ガム印刷は伝統的に多層印刷プロセスですが、1 回のパスで満足のいく結果が得られる場合があります。ガム印刷には任意の色を使用できるため、この技術を層状に使用して自然な色の写真を作成することもできます。

クロモジェニックプリントは、CプリントまたはCタイププリント^[7]、銀塩プリント[ ^8]、またはダイカップラープリント^[9]とも呼ばれ、カラーネガ、透明フィルム、またはデジタル画像から作られ、クロモジェニックプロセスを使用して現像される写真プリントです。^[10]これらは、感光材料として使用される銀塩乳剤と、減法混色の異なるダイカップラーを含む3層のゼラチンで構成されており、現像するとフルカラー画像が形成されます。^{[9] [10] [11]}

画像センサーまたはイメージャーは、画像を作成するために使用される情報を検出して伝達するセンサーです。これは、光波の可変減衰（物体を通過するか物体で反射するとき）を信号、つまり情報を伝達する小さな電流バーストに変換することによって行われます。波は光またはその他の電磁放射です。画像センサーは、デジタルカメラ、カメラモジュール、カメラ付き携帯電話、光学式マウスデバイス、[1][2][3]医療用画像機器、熱画像装置などの暗視装置、レーダー、ソナーなど、アナログとデジタルの両方のタイプの電子画像デバイスで使用されます。テクノロジーの変化に伴い、化学画像とアナログ画像は電子画像とデジタル画像に置き換えられる傾向があります。

露出 ∝ 絞り面積 × 露出時間 × シーンの輝度

相反則は、露出を決めるために光の強さと持続時間がどのようにトレードオフするかを記述したもので、与えられた総露出に対するシャッター速度と絞りの関係を定義します。これらの要素の変更は、多くの場合「ストップ」と呼ばれる単位で測定されます。1 ストップは係数 2 に相当します。

フィルムを露光する光の量を半分にするには、次のいずれかの方法を使用します。

1. 絞りを1段絞る
2. シャッター時間を1段短くする（シャッタースピードを上げる）
3. シーンの照明を半分にカット

同様に、フィルムを露光する光の量を 2 倍にするには、これらの操作の 1 つを逆に実行します。

反射光計で測定されるシーンの輝度も、露出に比例して影響します。適切な露出に必要な光の量は、フィルム速度によって決まります。フィルム速度は、ストップまたはストップの分数で変更できます。これらの変更のいずれかを使用して、絞りまたはシャッター速度を同じ数のストップで調整し、適切な露出を得ることができます。

光はカメラの絞り（ f 値で測定）を使用することで最も簡単に制御できますが、シャッター速度を調整することでも制御できます。より速いフィルムやより遅いフィルムを使用することは、少なくともロールフィルムを使用する場合、通常はすぐにできるものではありません。大判カメラは個別のフィルムシートを使用し、各シートの速度が異なる場合があります。また、ポラロイド バック付きの大判カメラを使用している場合は、異なる速度のポラロイドが入ったバックを切り替えることができます。デジタル カメラでは、露出指数を調整することでシミュレートしているフィルム速度を簡単に調整でき、多くのデジタル カメラでは露出測定に応じて自動的に調整できます。

例えば、1/60の露出から始めて、16倍絞りを開けることで被写界深度を浅くすることができる。4倍、露出が 4 段分増加します。これを補うには、シャッター速度も 4 段分増加する必要があります。つまり、露出時間を 1/1000 に調整します。絞りを絞ると、回折限界により解像度が制限されます。

相反則は総露出を指定しますが、星空の撮影など、非常に弱い光での長時間の露出や、太陽の撮影など、非常に明るい光での短時間の露出では、一定の総露出に対する写真材料の反応が一定にならない場合があります。これは、材料 (フィルム、紙、またはセンサー) の相反則不軌として知られています。

モーション ブラーは、露出中にカメラまたは被写体が動くと発生します。これにより、動いている物体または画像全体 (カメラの揺れの場合) に特徴的な縞模様が現れます。

モーション ブラーは、流水などのスピード感や動きを表現するために芸術的に使用できます。この例としては、「パンニング」というテクニックがあります。これは、カメラを動かして、車などの通常は高速で移動する被写体を追うというものです。正しく実行すると、被写体は鮮明に写りますが、背景にモーション ブラーがかかり、動いているような印象を与えます。これは、動きがスムーズで適切な速度でなければならないため、習得するのが難しい写真撮影テクニックの 1 つです。被写体がカメラに近づいたり遠ざかったりすると、フォーカスがさらに難しくなる場合があります。

光の軌跡はモーションブラーが利用されるもう一つの写真効果です。夜間の道路を長時間露光で撮影した写真で見える光の線の写真は、この効果の一例です。^[12]これは露光中に車が道路に沿って移動することによって発生します。同じ原理が星の軌跡写真の作成にも使用されます。

一般的に、モーション ブラーは回避すべきものであり、いくつかの方法で回避できます。最も簡単な方法は、シャッター時間が制限され、シャッターが開いている間に画像の動きがほとんどなくなるようにすることです。焦点距離が長いほど、カメラ本体の同じ動きで画像の動きが大きくなるため、シャッター時間を短くする必要があります。一般的に引用される経験則は、シャッター速度 (秒単位) は、レンズの35 mm 相当の焦点距離(ミリメートル単位) の逆数にする必要があるというものです。たとえば、50 mm レンズは最低速度 1/50 秒、300 mm レンズは 1/300 秒で使用する必要があります。露出もシャッター時間とともに減少するため、低照度のシナリオで使用すると問題が発生する可能性があります。

被写体の動きによるモーション ブラーは、通常、シャッター スピードを速くすることで防ぐことができます。正確なシャッター スピードは、被写体が移動する速度によって異なります。たとえば、ヘリコプターのローターを「停止」させるには非常に速いシャッター スピードが必要ですが、ランナーを停止させるには遅いシャッター スピードで十分です。

カメラの揺れによるモーション ブラーを回避するために、三脚を使用できます。これにより、露出中にカメラが安定します。露出時間が約 1/15 秒を超える場合は、三脚の使用をお勧めします。三脚の使用と併用して、カメラを静止状態に保つための追加のテクニックがあります。これらのテクニックでは、ケーブル レリーズや赤外線リモート スイッチなどのリモート アクチュエータを使用してシャッターを起動し、シャッター レリーズ ボタンを直接押したときに通常発生する動きを回避します。「セルフ タイマー」(一定時間後に自動的にシャッター レリーズを作動させる時間指定のレリーズ メカニズム) を使用すると、同じ目的を達成できます。最新の一眼レフ カメラ(SLR) のほとんどには、ミラーが跳ね上がることで生じるわずかな揺れを排除するミラー ロックアップ機能があります。

白黒フィルムには「光沢のある」面と「つやのない」面があります。つやのない面は乳剤で、これは一連のハロゲン化銀結晶を浮遊させるゼラチンです。これらの結晶には銀の粒子が含まれており、これによってフィルムの光に対する感度と、ネガプリントの細かさや粒状性が決まります。粒子が大きいほど露出時間は短くなりますが、粒状感は高くなります。粒子が小さいほど、見た目は細かくなりますが、活性化するにはより長い露出時間が必要です。フィルムの粒状性はISO係数で表されます。これは通常、10 または 100 の倍数です。数値が低いほど粒子は細かくなりますが、フィルムの速度は遅くなります。逆もまた同様です。

光は粒子状で、光粒子（光子）のエネルギーは光の周波数とプランク定数の積です。あらゆる写真撮影方法の基本的な特性は、写真乾板または電子検出器上に光をどのように集めるかです。

フォトダイオードは、バックバイアスされた半導体ダイオードで、電荷キャリアが非常に少ない固有層によって電流が流れないようにします。材料によって異なりますが、光子は 1 つの電子を上部のフルバンドから最下部の空バンドまで上げるのに十分なエネルギーを持っています。電子と「ホール」、つまり電子があった空の空間は、電界内を自由に移動して電流を流すことができるため、測定することができます。キャリア ペアを生成する入射光子の割合は、半導体材料に大きく依存します。

光電子増倍管は、光電子を加速して一連の電極からより多くの電子を叩き出すことで光を増幅する 真空光電管です。最も感度の高い光検出器の 1 つですが、写真撮影にはあまり適していません。

エイリアシングは光学処理や化学処理でも発生しますが、デジタル処理ではより一般的で、理解しやすいものです。光学画像またはデジタル画像が、解像度に対して低すぎるレートでサンプリングまたは再サンプリングされると、エイリアシングが発生します。一部のデジタル カメラやスキャナには、サンプリング レートに合わせて意図的に画像をぼかすことでエイリアシングを軽減するアンチエイリアシング フィルタが搭載されています。さまざまなサイズのプリントを作成するために使用されるフィルム現像装置では、エイリアシングによって小さいサイズのプリントの粒状性を高めるのが一般的です。

通常、粒子などのノイズと、サンプリング レートで表現するには小さすぎる実際のオブジェクトの詳細の両方を抑制することが望ましいです。

• 天体写真
• 水中写真
• 赤外線写真
• 紫外線写真
• 臭化銀
• 写真処理
• 画像編集
• ヘッドルームを強調する