より多くの光を集め、浅い被写界深度を作り出す能力が高く評価されている大口径レンズには、光学収差の増加というトレードオフが伴うことがよくあります。大口径レンズでこれらの欠陥が多く現れる理由を理解するには、レンズ設計の複雑さと光を曲げるという固有の課題を詳しく調べる必要があります。この記事では、この現象の背後にある理由を探り、さまざまな種類の収差と、それらの存在に影響を与える設計上の考慮事項を検討します。
光学収差を理解する
光学収差はレンズが光を集光する方法の欠陥であり、歪みや画質の低下につながります。これらの収差は、レンズ、特に単純なレンズがレンズのさまざまな部分からの光線を 1 点に完全に集光できないために発生します。レンズにはいくつかの種類の収差が一般的であり、その重大度はレンズの設計と絞りによって異なります。
- 球面収差:レンズの端を通過する光線が、中心を通過する光線とは異なる点に焦点を合わせるときに発生し、画像がぼやけます。
- 色収差:異なる波長の光 (色) はレンズによって異なる屈折をするため、異なる点に焦点が合います。その結果、コントラストの高い領域の周囲に色収差が発生します。
- コマ収差:軸外の点光源は、鋭い点ではなく彗星のような形で現れます。この収差は、画像の端に向かうにつれて大きくなります。
- 非点収差:水平線と垂直線が異なる点に焦点を合わせるため、特定の方向では画像がぼやけて見えます。
- 歪み:画像では直線が曲がって見えます。樽型歪みでは直線が外側に膨らみ、糸巻き型歪みでは直線が内側に曲がります。
大口径レンズの設計における課題
広い絞り（低い F 値）のレンズを設計することは、大きな課題です。絞りが大きいほど、光線が広い角度でレンズに入るため、正確に焦点を合わせることが難しくなります。主な要因は次のとおりです。
より広い入射角
レンズに入る光線の角度が広いほど、収差の影響を受けやすくなります。光線が光軸から離れるほど、理想的な動作からずれます。このずれが大きくなると、球面収差、コマ収差、非点収差が悪化します。これらの収差を補正するには、より複雑なレンズ設計が必要です。
集光性の向上
絞りが大きいほどレンズに入る光が多くなりますが、同時に異常な光も多く集められることになります。これにより、レンズが鮮明でクリアな画像を生成する能力が損なわれる可能性があります。集光量が増えると、既存の異常の影響が増幅されます。
レンズ要素の複雑さ
高速絞りレンズの収差を最小限に抑えるために、メーカーは複数の要素を備えた複雑なレンズ設計を採用することがよくあります。これらの要素は、収差の影響を打ち消すように慎重に形作られ、配置されています。ただし、要素を追加すると、レンズのコストと複雑さが増します。
材料に関する考慮事項
ガラス材料の選択も、収差補正において重要な役割を果たします。ガラスの種類によって屈折率と分散特性が異なります。異なる種類のガラスを組み合わせることで、レンズ設計者は色収差やその他の種類の収差を最小限に抑えることができます。高品質のレンズでは、超低分散 (ED) ガラスなどの特殊なガラスがよく使用されます。
収差補正技術
レンズ設計者は、高速絞りレンズの収差を最小限に抑えるためにさまざまな技術を採用しています。これらの技術には、画質、コスト、サイズのバランスを取るトレードオフが伴うことがよくあります。
- 非球面要素:これらの要素は非球面表面を持ち、球面収差とコマ収差を補正するのに役立ちます。非球面要素は球面要素よりも製造コストが高くなりますが、画質を大幅に向上させることができます。
- 超低分散 (ED) ガラス: ED ガラスは従来のガラスよりも分散性が低いため、色収差を軽減するのに役立ちます。ED ガラスは、色の精度と鮮明さを向上させるために、高品質のレンズでよく使用されます。
- フローティング エレメント:これらのエレメントは、フォーカス時にレンズ内の他のエレメントとは独立して移動します。これにより、さまざまなフォーカス距離で画質を維持できます。
- アポクロマート設計:アポクロマート レンズは、3 つの光の波長 (赤、緑、青) の色収差を補正するように設計されており、色の精度がさらに向上します。
トレードオフ
高速絞りレンズの設計はバランスを取る作業です。レンズ設計者は、広い絞りの利点と収差が増加する可能性を比較検討する必要があります。一般的なトレードオフは次のとおりです。
- 画質と絞り:絞りが広いほど、より多くの光を集めることができ、被写界深度は浅くなりますが、収差が増加する可能性もあります。
- コストと性能:非球面要素と ED ガラスを使用したより複雑なレンズ設計により、収差は低減されますが、レンズのコストも増加します。
- サイズと重量と性能:収差を補正するために要素を追加すると、レンズのサイズと重量が増加する可能性があります。
最終的に、最良のレンズ設計とは、これらの要素のバランスを取り、望ましい画質とパフォーマンス特性を実現する妥協案です。レンズメーカーは、レンズの用途に応じて、鮮明さや色の正確さなど、画質の特定の側面を優先することがよくあります。
より広い絞りを追求することは、多くの場合、ある程度の収差を受け入れるか、収差を軽減するためにより複雑で高価なレンズ設計に投資することを意味します。写真家が特定のニーズに合わせてレンズを選択する場合、これらのトレードオフを理解することは非常に重要です。
よくある質問
絞りの速いレンズはなぜ収差が発生しやすいのでしょうか?
高速絞りレンズは開口部が広く、光線が急角度で入射します。この急角度により、球面収差、コマ収差、色収差などの光学収差が大きくなり、最終画像でより顕著になります。
色収差とは何ですか?
色収差は、レンズがすべての色光を同じ点に焦点を合わせることができない場合に発生します。その結果、画像の高コントラストのエッジの周りに色フリンジが発生し、鮮明度と明瞭度が低下します。
レンズメーカーはどのようにして大口径レンズの収差を補正するのでしょうか?
レンズメーカーは、非球面レンズ要素、超低分散 (ED) ガラス、複雑な多要素設計など、さまざまな技術を使用して収差を最小限に抑えます。これらの技術は、光線の曲げ方と焦点の合わせ方を制御し、よりシャープで鮮明な画像を実現します。
すべての高速絞りレンズは収差の影響を同様に受けるのでしょうか?
いいえ、収差の程度はレンズの設計と使用される材料の品質によって異なります。高品質の高速絞りレンズには、収差を最小限に抑える高度な技術が組み込まれていることが多く、安価なレンズに比べて画質が向上します。
球面収差とは何ですか？また、それは画質にどのような影響を与えますか？
球面収差は、レンズの端を通過する光線が、中央を通過する光線とは異なる点に焦点を合わせるときに発生します。これにより、画像全体がぼやけ、鮮明度とコントラストが低下します。球面収差を補正することは、特に高速絞りのレンズで鮮明で詳細な写真を撮るために不可欠です。
