2015年10月31日

ミラーレス一眼の光と影

これまで何度か,オールドレンズをミラーレス一眼カメラに装着する方法や撮影例を紹介してきました.しかしこの手の遊びをやっていると,どうもフィルムカメラで同じレンズを使った時と撮影結果が違う・・ということがあります.今回はこの原因について探っていきます.

DSC_0742.jpg


上の写真はソニーα7に,先の記事で紹介したアダプターを介して Nikkor-O 2.1cm F4 を装着したところです.このレンズは特にカメラ内部に潜り込む部分が長く,レンズ後玉の周囲を覆っているガードを取り外さないとカメラ内部のメカニカルシャッターと干渉する危険があります(個体差もありえますので,外すと確実に安全とは保証できません).しかし兎にも角にも取り付けて撮影はできますが,撮ってみるといろいろとフィルムでの撮影結果との違いを感じることになります.

1点目は周辺減光です.撮像素子はフィルムとは異なり,斜めに浅い角度から光が入ると感度が落ちます.また,このときカメラの色に関する感度特性も変化するため,「カラーキャスト」などと言われる色づきが周囲に発生します.α7では周囲が紫色に色づく現象が多く見られます.そして3点目に,周辺部の画像が甘くなることが多いことです.これも一般には撮像素子の特性のように解説されることが多いのですが,実は違います.センサの前に置かれた赤外線カットフィルタや光学ローパスフィルタ(または光学ローパスフィルタと光路長を合わせるために置かれたガラス板)のために周囲の画質が甘くなるのです.

diagram.jpg


そこで今回,光学設計ソフトウェア OSLO EDU を用いてこの現象がどの程度の画質劣化を引き起こすのかを調べてみました.実際のフィルタの厚みや光学特性は不明ですが,今回は簡単のため,厚さ 1mm の単なるガラス板をフィルムの直前 1mm に置きました(理論上,厚みが同じなら,レンズと撮像素子の間であるかぎりどこでも同じ結果になります).ガラスの種類はもっともありふれた BK7 としています.

oslo.jpg


レンズはもっとも厳しい条件を想定して,21mm F4 とし,画角は90度(半画角 45度)としています.レンズそのものは理想レンズを仮定していますが,1mm のガラス板を置くと光路長が伸びるため,中心部を基準にピント位置を自動調整する設定としています(上の画面で中央付近に 1.340717 とありますが,これはもともと 1.0 ですので,約 0.34mm だけ像面を後ろに下げたことになります).

magn.jpg


このときの画面隅での光線の様子が上の図です.本来は,右端の黒線(撮像素子の面)に光が集まるはずですが,それがより後ろにずれています.つまり撮像素子では画像がぼやけてしまうわけです.それでは,点光源の像はどんな形に広がってしまうのでしょうか.

diagram3.jpg


この図はスポットダイヤグラムと呼ばれ,点がどのような形に広がるのかを表しています.中央部(最下行の真ん中)は小さな1点に光が集まっており,ガラス板の影響が殆どないことが分かります.しかし,画面の周囲(中段)や隅(最上段)では点がラグビーボール型に広がってしまい,その大きさは 0.1mm 近くに達しています.実際にはこんな隅の画質が問題になることはほとんどありませんし,周囲ではレンズのケラレによって端の方の光線が遮られるので,これよりはもっと小さくなりますが,いずれにしても思ったよりも大きく点が広がっていることが分かります.

diagram4.jpg


それでは,よくレンズ評価に用いられる MTF ではどうでしょうか.上の図は,10, 20, 40linepair/mm のMTFのグラフです.いずれも大幅にコントラスト低下をきたしていることが分かります.

diagram2.jpg


最後に収差図を掲載します.この図を理解するには少し専門的な知識が必要になりますが,今回の場合,もっとも重要なのは中央上段の ASTIGMATISM (非点収差,像面湾曲)です.S, T ともに右(+)に倒れており,その大きさが 0.1〜0.3mmと,やや無視できないレベルにあります.ただし興味深いのは,これらが+側に振れていることです.多くのレンズでは逆に,像面はレンズ側に(左側に)倒れます.またその程度が最大で 0.2mm 程度であることが多いのです.要するに,今回の解析では理想レンズに対しては周辺画質が劣化することはわかったのですが,レンズによってはその収差を打ち消す方向に働くことがあり得ることを示しています.実際,キヤノン 25mm F3.5 レンズ(構成図)では,ニッコール 25mm F4 のトポゴンタイプのレンズの後ろに平行平面のガラスを置いて像面を平坦化しています.ミラーレス一眼カメラにオールドレンズを付けて無限遠の景色を撮影すると,思ったよりも良いレンズ,悪いレンズといった相性の良し悪しがありますが,その秘密は意外とこんなところにあるのかもしれません.

psf.jpg


上の写真は実際に,α7に 2.1cm F4 を取り付けたときの,絞りを絞った時と開いたときの画像の変化です(縦位置撮影したときの画面最上部の例です).絞りを開いた時に,縦長のラグビーボール状の点像となっており,光学シミュレーションにおける点像の計算結果に大変良く似ていることが分かります.レンズの性能が悪いわけではなく,カメラ内部のフィルタによって生じた画質劣化であるということの証拠と言えるでしょう.

なお今回の解析では,かなり画角が広いレンズで,かつ入射光と出射光の主光線が平行(対称型レンズではほぼ成り立つ)であると仮定しています.レトロフォーカス型レンズでは入射光に対し出射光はよりセンサに対して垂直に近い角度で入射するので画質劣化は小さくなります.また,多くの広角レンズでは(繰り返しになりますが)ケラレ等によって光束が細くなり,より収差の影響は小さくなります.要するに今回の例は「最悪のケース」をシミュレーションしたものとご理解ください.

最後に,比較用としてガラス板を置いた時と置いていない時のそれぞれの解析データ(pdf),それに OSLO 用の設計データを掲載しておきます.

with-glass.pdf, without-glass.pdf, 21mmF4.len
posted by しんさく at 01:08| Comment(0) | TrackBack(0) | カメラ
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