2015年10月28日

軸上色収差

今回はレンズの画質に関する,ちょっと細かい話です.

写真用レンズを調べていると見かける「色収差」という言葉.これは,光の色(波長)によってレンズに使われているガラスの屈折率が異なるために,色によって焦点の位置がずれる現象です.これが発生すると,白と黒だけから出来た物体を撮影しても,その境界線に緑や紫の色づきが発生します.

この色収差,さらに細かく分類すると「倍率色収差」と「軸上色収差」に分かれます.倍率色収差は色によって画像の大きさが微妙に異なるという現象で,画面の中央では問題ないが,端のほうで色づきが見られる現象です.これに対して軸上色収差は,色によってピントの位置が奥行き方向にずれる現象で,これは画面の真ん中でも観察されます.

写真用レンズでは古くから,軸上色収差よりも倍率色収差のほうが目立つと言われ,倍率色収差の除去に努力が払われてきました.しかし現在のデジタルカメラでは,赤・青・緑の三原色の画像同士の大きさの微妙な違いを自動的に検出し,その大きさの違いを画像処理によって補正してしまう「倍率色収差補正」が入ったものが多くなっています.そこで今まであまり注目されてこなかった軸上色収差が目立つようになってきました.

今回,その軸上色収差による画質劣化を示すためにちょっとしたテスト撮影をしてみました.黒い文字を並べた紙を斜めから撮影し,その文字にどのような色づきが生じるかのテストです.使用したレンズは以下の3本です.

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  • W-Nikkor 2.8cm F3.5 : 1950年代初頭に設計された距離系連動式ニコンカメラ用の広角レンズです.古いレンズですが,コピー機やスキャナなどに今も多く用いられているオルソメター型と言われるレンズ構成が応用されています.
  • Micro-Nikkor 55mm F2.8S : ニコンを代表するマクロレンズ(マイクロニッコール)で,定評あるレンズです.一般的な撮影にはもちろん,産業用や研究機器にも多く用いられているレンズです.
  • Makro-Planar 50mm F2 ZF.2 : カール・ツァイス社が設計したマクロレンズをコシナがライセンス生産しているもので,他の多くのマクロレンズに比べ開放絞りが F2 と一段明るい上,焦点距離が通常の標準レンズと同じ 50mm なので,常用レンズとして使いやすいレンズです.


これらのレンズをアダプターを介して NEX-5R に取り付け,中央部分の倍率がほぼ同じになるように被写体の幅を合わせ,斜め約45度の角度から撮影しました.絞りは全てF4に合わせてあり,焦点距離は異なりますが倍率とF値が同じなので理論上の被写界深度も同一となります.テスト結果のオリジナル画像はこちらにおいてあります.

さて,その撮影結果です.以下は中央部分を縦長に切り出したものです.

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ご覧のとおり,少しずつシャープネスや前後のボケかたが異なりますが,どれも優れたレンズであり,カメラの解像度(NEX-5R は1600万画素ですが APS フォーマットのため,画素ピッチはNikon D800E や Sony α7R と同等です)が高いことも勘案すると,十分シャープといえます.しかし,やはり最も目につくのは本題の「軸上色収差」でしょう.特にマクロプラナーは他の収差がよく補正されているだけに色づきが目立ちます.マイクロニッコールは中庸で,一番古い 2.8cm はほとんど全く軸上色収差が見て取れません.軸上色収差は焦点距離が短いほど小さいのですが,それに加えて他の収差(主に球面収差)と色収差のバランスが良く,色収差がうまく隠されていることや,1950年代後半に製造出来るようになった高屈折率ガラスがまだ使用されていないためではないかと思われます.

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同じものをよりわかりやすくするために,色づきの強い部分を切り出したところです.どんなレンズでも二次の軸上色収差が残存する傾向にあり,合焦距離より遠いものが緑色に,手前のものが赤紫色に色づく場合がほとんどです.

しかし,このような軸上色収差は,画像を大きく拡大して観察した時にしか見えないから問題ないのではないか・・とおっしゃるかもしれません.しかそうではないのです.次の写真は,背景が白飛びしている場合を模擬するため画像を露出オーバーで現像し,元画像を幅 600画素に縮小したものの中央部分を並べたものです.

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このように,縮小した画像でも色づきは残り,目についてしまいます.色収差によって緑や赤などのどれかの色成分が強められたり弱まったりするわけではありません.ですから,各色のエネルギーはほぼ均等なのです.しかしそれが撮像素子によって捉えられた時に,白い部分は白飛びしてしまい,その部分では色みの違いが潰れてしまいます.結果として,黒い部分(文字の部分)の色づきだけが値として残り,画像を縮小してもその色づきが残ることで,「色が濁る」と言われるような現象を引き起こします.

このような現象は人物撮影などでもよく起こります.明るい背景の前に立つ人物の黒髪が風にそよいでいる部分などは上の写真と同じ条件になり,瞳にピントを合わせていると若干後ろぼけになるので,緑色に色づくことになります.背景が明るく白飛びしかかっている時などに,とくに顕著になります.「緑髪」などと風流なことを言っている場合ではありませんが,残念ながら人物撮影に多用される標準域〜中望遠域の大口径レンズに用いられる「ガウス型」のレンズでは軸上色収差の除去が難しく,どのレンズでも結構な強さの軸上色収差が残っています.二次の色収差を除去するためにはEDレンズや蛍石などの異常分散性を持つレンズを用いる必要がありますが,ガウス型のレンズではそれをうまく使える場所がないのです.

軸上色収差は被写体までの奥行きによって様々に変化するため,現像ソフトで修正するのは容易ではありません.軸上色収差補正に対応した現像ソフトもありますが,これらは明るい部分の周囲の色を削り取るように動作するため,実際に色がついた物体を無彩色に変換してしまったりするのです.標準域のレンズはほとんどがガウス型のため,軸上色収差を嫌う撮影では,かえってズームレンズのほうが良好な結果になることもあります.また先に書いたように,軸上色収差は焦点距離が長いレンズほど強くなりますが,そのようなレンズではEDレンズ等が多用されているため色収差が良好に補正され,かえって色収差の目立たないレンズが多くなっています.例えば私はシグマの 150mm のマクロレンズ(SIGMA 150mm F2.8 APO MACRO EX DG HSM)を使用していますが,これはほとんど色収差は見て取れません.またカール・ツァイスの Otus 55mm F1.4 のように,ガウス型でない構成が標準レンズに使われる動きがあるのは,この問題が大きいと思われます.

個人的には,色収差以外の収差がほどほどに残っており,上手にバランスしたレンズほうが使いやすいように思っています.シャープネスが必要な場合はその分絞り込めばよいわけで,どの絞りでもシャープネスと色収差が上手にバランスされていることが理想です.球面収差がほどよく残っているレンズのほうが被写界深度が深く見えるというメリットもあります.なお,上記のいずれのレンズでも,あと1,2段絞り込むと色収差は十分目立たなくなります.

最後に,この 2.8cm レンズで撮影した秋のひとこまを掲載します.
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W-Nikkor 2.8cm F3.5, Sony NEX-5R
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2015年10月24日

ニコンの古い広角レンズ

1959年にニコンFがデビューするまでは,ニコンもライカのような距離計連動式カメラでした.一眼レフカメラはファインダーへ光を送るためにレンズとフィルムとの間に鏡が置かれていますが,距離計連動式カメラではそれがないため,レンズの後端がカメラ内部へ潜っていても差し支えありません.このことは当時,広角レンズの設計上有利に働くとされていましたが,その後の技術の進展によって一眼レフ用のレンズも十分に高性能なものとなっています.しかし今でも1点,大きな違いが残っています.それはレンズの大きさです.

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上の写真は,1950年代に距離計連動式ニコンカメラ(ニコンSPなど)のために作られた広角レンズです.左の2本は W-NIKKOR 2.8cm F3.5, 右の2本は手前が W-NIKKOR 3.5cm F2.5, 後ろはより大口径な W-NIKKOR 3.5cm F1.8 です(当時のニコンのレンズは焦点距離が mm 表記でなく cm 表記でした).いずれも非常に小型で,一眼レフ用のレンズとは比べ物になりません.しかしこれらのレンズはFマウントではないため,ニコンのデジタル一眼レフカメラに取り付けて使うことは出来ません.ところがよくしたもので,他社が発売しているミラーレス一眼カメラに取り付けるためのアダプターが各種販売されるようになって,デジタル時代でも再び日の目を見るようになりました.

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こちらは,ソニーの NEX-5R にアダプターを介して 2.8cm F3.5 を取り付けたところです.ニコンのレンズマウントから一旦,ライカMマウントへ変換するアダプターを使用し,さらにMマウントからソニーEマウントに変換しています.後者のマウントアダプターはヘリコイドが内蔵されており,レンズを 5mm ほど余分に繰り出すことができるので,レンズ単体では 90cm ぐらいしか寄れないところ,この組み合わせでは約 16cm まで近寄ることもできます.NEX-5R は APS-C サイズのセンサを搭載しているため,画角としては 35mm 判の 42mm 相当となり,ちょうど使いやすい準広角レンズとなります.

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さらにその後,ソニーは同じEマウントでありながらフルサイズセンサ(35mmフィルムと同じ画面サイズのセンサ)を搭載したカメラ,α7シリーズを発売します.2.8cm レンズもこのカメラで問題なく使うことが出来ますが,ここでは 3.5cm F1.8 を取り付けてみました.このレンズは当時新開発の高屈折率ガラスをふんだんに使った優れた設計で,広角レンズとしては当時世界一の明るさを誇ったレンズですが,依然として小型で軽快に撮影できます.

このα7に装着したマウントアダプターは,これら広角レンズが装着される外爪だけでなく,標準レンズ用の内爪も備えており,かつライカ等のMマウントカメラに装着した時にちゃんと距離計が連動するすぐれものです.そこで,このアダプターを単体で用いると,これらのニコン用ニッコールレンズが以下のようにミノルタCLEに装着できたりします.

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ここでは再び,2.8cm F3.5 を装着してみました.ミノルタCLEはファインダが 28mm に対応しており,かつ自動露出も備える軽量なカメラなので,このレンズをニコンSPに装着した時とはまたちょっと違った感覚で撮影することが出来ます.

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ただしこのアダプターを使えば,どんなニッコールレンズでもライカに付くわけではありません.大口径の 3.5cm F1.8 レンズはレンズ後群が大きく,アダプターには装着できるものの,いざライカM6やミノルタCLEに装着しようとすると,これらのカメラの距離計連動用コロにレンズ後群が干渉して取り付けられないのです.同じように後群が突出しているレンズでも,もう少し突出部が短いか,細身であれば装着できるのですが,写真のように F1.8 は距離系連動用カムに迫る太さのため取り付けられません.同様にカールツァイスのビオゴン 21mm F4.5 も装着出来ません.

ミラーレス一眼カメラはこのような距離計連動機構がないので上のレンズは全て装着することができ,ピント合わせもレンズを通した像そのものが見られ,非常に正確なピント合わせが可能となっています.50年以上前のレンズですが今でも十分実用になり,撮影後その写真をすぐにメールで送ったりブログに載せたりすることも簡単です.作りもよく,特に1950年代前半のシルバークロームのレンズは見た目も非常に美しいものとなっています.

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上はα7に 3.5cm F1.8 を装着して撮影した例です.

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こちらは NEX-5R に 2.8cm F3.5 を装着したときの例で,絞りは F3.5 開放です.
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2013年11月04日

マウントアダプターでレンズ再活用 その2

前回に引き続き,ソニーNEX用の変わり種マウントアダプターを紹介します.

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このアダプターは,一眼レフ用レンズマウントである,ニコンFマウントのレンズをソニーNEXに装着するものです.このようなアダプターには,単にレンズをまっすぐ取り付けるものがよく使われていますが,このアダプターはレンズをずらしたり傾けたりすることが出来ます.

例えば,カメラを斜め上から撮影することを考えます.普通のレンズ(Nikkor-O Auto 35mm F2 を使用)で撮影すると次の写真のようになります.

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斜め上から見下ろしているので,カメラが下すぼまりに写ります.ちょうど,ビルを見上げるように写真を撮ると,ビルの先端が地面に近いところよりも小さく写るのと同じです.またカメラが斜めにおいてあるので,カメラ全体にピントが合わず,真ん中辺りしかシャープに写りません.そこで,レンズの向きを変えます.

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普通のカメラでは,レンズはボディに対してまっすぐ(直角に)付いていますが,これの方向を変えます.すると,カメラに対して正面を向いた面でなく,傾いた面に対してピントをあわせることが出来ます(シャインフルークの法則といいます).クリックして拡大すると,カメラの右肩から左肩までピントがあっているのがわかります.普通はもっとレンズの絞りを絞り込んで撮影しますが,今回は分かりやすいように絞りを開いてピントを浅くしています.しかしまだカメラの下すぼまりは残っていますので,今度はレンズをカメラに対して下へ平行にずらします.

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すると今度は下すぼまりの形状が補正され,整った形に撮影することが出来ます.このようなシフト撮影の場合,平行線を完全に垂直にそろえてしまうと,視覚的な錯覚により,かえって逆に上すぼまりのように見えてしまうことがあるので,ほどほど(5割〜7割ほど?)の補正に留めるのが良いようです.またピント面の調整(ティルト・スイング)も,絞り込みでは追いつかないときに補助的に用い,パッと見た目にはティルト・スイングを用いていないように見せるのが一般的だとは思います.また最近は,わざと遠景に対してティルトすることで,風景をミニチュア風に見せる技法(代表的なものに,本城直季氏の作品があります)が流行っているようです.

このような写真を撮影するためのレンズは,キヤノンではTS-Eレンズ,ニコンではPC-Eレンズと呼ばれ,数本ずつ発売されていますが,非常に高価なものです.それに対し,既存のニッコールレンズでティルト・シフト撮影ができるのはお得な感じがします.Fマウントのレンズは普通,フルサイズ用ですが,NEXはAPS判なのでシフトの余地があることや,TS-E/PC-Eレンズにはないズームレンズを使うことが出来るのも面白い点かもしれません.またNEXでは液晶画面を動かすことができることや,ピントが合った位置を拡大したり,強調するピーキング表示などがあるため,ファインダを覗きながらの作業に比べ,楽に,かつ正確に撮影をすることが出来ます.

これまで,レンズをシフトするアダプタと,ティルトするアダプタはそれぞれ別のものとして製造販売されていました.他のティルトアダプタはボールジョイント式になっていますが,レンズを正面向きで固定することが出来ないため,一般撮影にも用いるのには若干不都合があります.その点で,今回のアダプタはティルト・シフトなしの原点に戻すのも容易ですし,ティルトとシフトを同時に行うことも出来るので,少々高価ですがそれだけの価値があるように思います.

ただしこのアダプタの場合,ティルト方向とシフト方向が直交方向に固定されていることと,内部構造のためレンズ後部の金具などがマウント面から8.5mm以上突出しているレンズは装着できないことがありますのでご注意ください.
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