Atelier Bonryu

zone plate photography

 
 
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ゾーンプレート写真_研究室

ゾーンプレートによるマクロ撮影(2)

ゾーンプレートによる撮影の特徴:前ページに記したように、「結像の法則」を満たすようにセンサーの位置と被写体の位置を調整すればゾーンプレートによってマクロ撮影が可能です。ゾーンプレートの性質は光学的には研究し尽くされていると言っても良く、実際、ゾーンプレートは、X線撮影、粒子線の制御、天文学等の色々な理工学分野で活躍しています。しかし、「写真芸術」の分野ではあまりよく理解されてこなかったように思われます。そこで、ゾーンプレートによる写真撮影の特徴を振り返ってまとめてみたいと思います。


 まず、(1)ゾーンプレートによってできる像は分解能が高くて普通のピンホール写真と比べてとても鮮明です。次に、(2)ピンホールと違ってゾーンプレートには焦点が存在するので、その焦点距離に基づいてレンズの結像公式を満たすように被写体の位置と撮像面の位置とを調整すればピントの合った鮮明な写真を撮ることができます。ところが、これらの特徴は一般にはあまり理解されていないようです。それどころか、ゾーンプレートはこれらの特徴とは逆の特徴を持っているとさえ思われているみたいです。例えば、「ゾーンプレートを使って撮影した写真は非常にソフトで、普通のピンホール写真よりももっとぼんやりした写真が撮れる」と言われており、また、ゾーンプレートはその焦点距離だけ離れた位置を撮像面として固定して撮影する事(焦点距離をフランジバックと一致させる)が多いことから「ゾーンプレート写真はピンホール写真と同様にパンフォーカスでピンホール写真と違う際立った特徴がない」と考えられている事等があります。(1)に関しては、このサイトでも何度か記してきました。撮ったままの写真がなぜ不鮮明であるかを説明して鮮明な写真を得る方法を書いてきました。(2)に関しては、前ページに書いたようにゾーンプレートを使えばレンズレスにも関わらずかなり鮮明なマクロ写真が撮影できるという事があります。ここでは、このマクロ撮影を題材にしてゾーンプレートの被写界深度について考えてみます。

ゾーンプレートの被写界深度:被写界深度とはピントが合っている被写体までの距離の範囲です。広い範囲にピントが合う事を「被写界深度が深い」と言い、狭い範囲にしかピントが合わない状態を「被写界深度が浅い」といいます。被写界深度を定量的に定義するためにレンズ付きカメラの場合は「錯乱円の直径が許容錯乱円の直径より小さくなる範囲」というように表します。完全な(面積ゼロの)点光源であっても色々な収差の為にあるいはピントが合っていない為にレンズによってできる像は面積がゼロでない図形になります。この図形を円であるとして「錯乱円」と呼びます。錯乱円の直径が大きいとは像がぼけている事を示すので、この値がある範囲内にある事を「ピントが合っている事」にします。この許容範囲を示す錯乱円を「許容錯乱円」と呼びます。許容錯乱円の直径はカメラによっても違っており共通した値は決まっていませんが、通常、フィルムの1フレームやデジタルカメラのセンサーの対角線の長さの1/1500程度を許容錯乱円直径としている事が多いようです。ゾーンプレートの場合、既に記したように点光源のぼける理由はレンズと異なりますが回折パターンの円を錯乱円と見て被写界深度を定義することができます。ここではマクロ撮影を行う事を念頭に、ゾーンプレートによる回折の様子を計算してみます。

ゾーンプレートの回折パターンの解析:波長が550 nmの光に対して、焦点距離が50 mm になるような、ゾーン数19 のゾーンプレートについて解析します。図1は、撮像面(センサー、フィルム)の位置をいろいろ変えたときに、被写界における点光源の位置(横軸)によって撮像面上の光の強さ(縦軸)がどのように変るかを表したグラフです。グラフが正の値をとる部分でピントが合っており、この領域が被写界深度の広がりを示しています。例えば、黒い実線の曲線はゾーンプレートからちょうど焦点距離と同じだけ(50 mm)離してセンサーをおいた場合ですが、この場合は500 mm のところで0になっていて、そこから無限遠まで正の値をとっており、500 mmより遠くならどこでもピントが合っていることがわかります。普通、ゾーンプレートを使って写真を撮るときには、カメラのフランジバックの長さを焦点距離としたゾーンプレートをカメラのボディキャップに開けた穴に貼付けて利用する事が多いのですが、これはこの黒い実線の場合に相当しており、まさに(至る所でピントが合っている)パンフォーカスの状態になっている事がわかります。

ゾーンプレートによるクローズアップ撮影:図1のグラフは、撮像面をゾーンプレートから、100 mm(緑), 75 mm(赤), 60 mm(青), 55 mm(シアン), 52 mm(マジェンタ), 50 mm(黒)の位置においたときに記録される光の強さを表しています。上に記したように、撮像面が、50 mm - 52 mmの位置にあればパンフォーカスですが、これよりもその撮像面を遠くに離すと急激に焦点深度が浅くなり、100 mmの位置(緑)の場合は極めて被写界深度が浅く、85-125 mmになっています。ほぼプラスマイナス20 mmの精度で被写体の位置をあわせなければ写真は写りません。この位置ではゾーンプレートから撮像面までの距離と被写体までの距離が同じになるので、倍率が等倍のマクロ撮影になります。被写体までの距離が小さいときに焦点深度が浅くなり、特にマクロ撮影では、ピント合わせを慎重に行う必要がある事はレンズ付きカメラの場合と全く同様です。ただし、ゾーンプレートは、ピンホールに比べれば非常に明るいとはいえ、レンズに比べるとまだかなり暗いので、ファインダーやライブビュー画面を通して正確にピント合わせをするのはかなり難しい作業となります。

図1:センサー位置と被写界深度の関係

 焦点距離=50 mm、ゾーン数=19 のゾーンプレートについて、撮像面をゾーンプレートから100 mm(緑)、75 mm(赤)、 60 mm(青)、 55 mm(シアン) 52 mm(マジェンタ)、 50 mm(黒) の位置に置いた時の点光源の像の明るさ。

図2:センサー位置と点光源像

 センサー面上における点光源像を示す。対象とするゾーンプレートは図1と同じ。撮像面の位置を表す曲線の色は図1と同じ。

ゾーンプレートマクロ撮影のまとめ:ここまでに書いてきた事やゾーンプレートマクロ撮影の特徴及び注意すべき点等をまとめておきます。

  1. (1)ゾーンプレートは、レンズと同様に、被写体および撮像面までの距離を調整する事でピント合わせが可能です。

  2. (2)撮像面までの距離を長くして、被写体までの距離を短くすることによってマクロ撮影が可能です。ただし、図2から分かるように、被写体が近づくにつれて分解能がわずかに劣化し、明るさも減少します。また、有限距離にある点光源を出て空隙を通る直進光は、無限遠にある点光源からの直進光と違って、円錐状に広がりを持っているので背景光の密度は低くなり、ゾーンプレート写真特有のハローは減少します。

  3. (3)上に記した事は、ある特定の波長を持つ光についての事です。しかし、実際の撮影に当たっては、色々な波長の光が混ざっている事を忘れてはなりません。同じゾーンプレートでも光の波長が変れば焦点距離は変ります。例えば、波長が550 nm の光に対して焦点距離が50 mm になるようなゾーンプレートは、波長が600 nm の光に対して焦点距離が(50 x 550)/600 = 45.8 mm のゾーンプレートとして働きます。このためか、焦点深度が浅い領域でピント合わせをあまり気にせず撮影しても比較的ピントが良く合っているように見える場合があります。もっとも、マクロ撮影と言えるような領域ではピント合わせは非常に大切です。

  4. (4)被写界深度の浅いゾーンプレート写真では、ピントの合っていない被写体の像はほとんど出来ません。レンズ付きカメラで撮影した被写界深度の浅い写真ではピントの合っていない被写体はぼけて写るのと大きな違いです。これは、被写界深度のグラフで被写界深度の境界で明るさが0になっている為であると考えられます。このために、ゾーンプレートによると暗い背景の中にハローを伴った被写体が明るく浮かび上がる写真が撮れます(図3)。

図3:ゾーンプレートマクロ写真とレンズによる写真(ゲンノショウコ)

 左は、f=100 mm、ゾーン数=39のフレネル型ゾーンプレートを用いてゲンノショウコの花の等倍マクロ撮影。撮影に用いたカメラはOlympus E-510でフォーサーズ規格ですのでフレームの大きさは横17 mm、縦13 mm です。これに対してゲンノショウコの花は直径7~8 mmですからほぼ等倍のマクロ撮影である事が分かります。右はレンズを用いて撮影したゲンノショウコの花。

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関連ギャラリー../atelier_bonryu_g/Zoneplate_i.htmlhttp://apple.excite.co.jp/shapeimage_5_link_0

ゾーンプレート写真の分解能の高さ:ここまでの記述や展示室の写真を見る事で ゾーンプレート写真の分解能の高さは納得できると思います。ここでは、肉眼でははっきり見えないものを撮影して分解能の高さを示します。被写体は、一万円札の裏面下部の幅約0.2 mm の線です(図4)。この線は、実は、「・・・NIPPONGINKO・・・」という文字列のつながりで構成されていますが(図5:Olympus TG-2 スーパーマクロモードで撮影)、肉眼で読み取る事はかなり困難です。これを焦点距離50 mm のゾーンプレートで撮影したものが図6、7 です。図6は1.2 倍(a=91 mm, b=111 mm)、図7は2.1倍(a=94 mm, b=156 mm)のマクロ撮影になっています。何れの写真も、非常に鮮明という訳ではありませんが、「・・・NIPPONGINKO・・・」の文字列を読み取る事が可能です。

図4:一万円札裏面下部の線(赤矢印)

 Olympus TG-2で撮影

図5:一万円札裏面下部のマクロ写真

 Olympus TG-2 スーパーマクロモードで撮影

図6:ゾーンプレートマクロ写真(1.2倍)

 焦点距離f=50 mm、ゾーン数N=29 のフレネル型ゾーンプレート使用。カメラはOlympus E-510。被写体までの距離 a=91 mm、像までの距離 b=111 mm。

図7:ゾーンプレートマクロ写真(2.1倍)

 焦点距離f=50 mm、ゾーン数N=29 のフレネル型ゾーンプレート使用。カメラはOlympus E-510。被写体までの距離 a=94 mm、像までの距離 b=156 mm。

関連ギャラリー../atelier_bonryu_g/Zoneplate_i.htmlhttp://apple.excite.co.jp/shapeimage_7_link_0
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