被写界深度
傾いたテキストページに浅い被写界深度によるぼかし効果を示すマクロ写真
この写真は絞りをf /22、ほぼ焦点が合った背景を作成します。
上と同じシーンを絞りf /1.8この写真では背景がどれだけぼやけているかに注目してください。

被写界深度（DOF ）とは、カメラで撮影した画像において、十分に鮮明に焦点が合っている最も近い物体と最も遠い物体との間の距離です。関連性の高い「焦点深度」も参照してください。

被写界深度に影響を与える要因

絞りがぼかしと被写界深度（DOF）に与える影響。焦点の合った点（2）は像面（5）に点を投影しますが、異なる距離にある点（1と3）はぼやけた像、つまり錯乱円を投影します。絞りを小さくすると（4）、焦点面外の点のぼかし点のサイズが小さくなり、ぼかしは目立たなくなり、すべての点が被写界深度（DOF ）内に入ります。

一度に1つの物体の距離にしか焦点を合わせられないカメラの場合、被写界深度とは、画像内で許容できるほど鮮明に焦点が合っている最も近い物体と最も遠い物体との間の距離です。[ 1 ] 「許容できるほど鮮明な焦点」は、「錯乱円」と呼ばれる特性を使用して定義されます。

被写界深度は、焦点距離、被写体（撮影する物体）までの距離、許容される錯乱円の大きさ、絞りによって決まります。[ 2 ]おおよその被写界深度は次のように表すことができます。

被写界深度≈2あなた2北cf2{\displaystyle {\text{DOF}}\approx {\frac {2u^{2}Nc}{f^{2}}}}

与えられた最大許容錯乱円直径c、焦点距離f、F値N、被写体までの距離uに対して。[ 3 ] [ 4 ]

距離または許容錯乱円の大きさが大きくなると、被写界深度は深くなります。しかし、絞りを大きくする（つまり、F値を小さくする）か、焦点距離を長くすると、被写界深度は浅くなります。被写界深度はF値と錯乱円の大きさに比例して変化しますが、被写体までの距離の2乗に比例し、焦点距離の2乗に反比例します。その結果、非常に近い距離（つまり、uが非常に小さい）で撮影された写真は、被写界深度が比例してはるかに小さくなります。

DOF の式を変形すると、DOF に影響を与えるのは距離と焦点距離の比率であることがわかります。

被写界深度≈2北c（あなたf）2＝2北c（1−1MT）2{\displaystyle {\text{DOF}}\approx 2Nc\left({\frac {u}{f}}\right)^{2}=2Nc\left(1-{\frac {1}{M_{T}}}\right)^{2}}

は横方向の倍率、つまり横方向の像の大きさと横方向の被写体の大きさの比であることに注意してください。 [ 5 ]MT＝−fあなた−f{\textstyle M_{T}=-{\frac {f}{uf}}}

イメージセンサーのサイズは、直感に反する形で被写界深度（ DOF）に影響を与えます。錯乱円はセンサーサイズと直接結びついているため、焦点距離と絞りを一定に保ちながらセンサーサイズを小さくすると、被写界深度は（クロップファクターによって）減少します。結果として得られる画像の視野も変化します。しかし、絞りを一定に保ちながら焦点距離を変更することで元の視野を維持した場合、被写界深度は一定のままです。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

レンズ絞りの効果

被写体のフレーミングとカメラの位置が与えられた場合、被写界深度（DOF）はレンズの絞り径によって制御されます。絞り径は通常、F値（レンズの焦点距離と絞り径の比）で表されます。絞り径を小さくする（F値を大きくする）と、より浅い角度の光だけが絞りを通過するため、より浅い角度の光線だけが像面に到達するため、被写界深度は増大します。言い換えれば、錯乱円が小さくなり、被写界深度は増大します。[ 10 ]

焦点面における被写体像の大きさが一定であれば、どの焦点距離レンズでも同じF値であれば同じ被写界深度が得られます。[ 11 ]これは、上記の被写界深度の式から、像の大きさが一定であればu / fの比が一定であることから明らかです。例えば、焦点距離が2倍になると、被写体像の大きさを一定に保つために被写体までの距離も2倍になります。この観察結果は、「焦点距離はf値よりもデフォーカスにおいて2倍重要である」という一般的な考え方とは対照的です。[ 12 ]これは、像の大きさが一定ではなく、被写体までの距離が一定である場合に当てはまります。

映画では絞り制御はあまり使用されません。ショットごとに一貫した画質を実現するために、撮影監督は通常、屋内（例：建物内のシーン）と屋外（例：建物の外側のシーン）でそれぞれ異なる絞り設定を選択し、カメラフィルターや光量調整によって露出を調整します。静止画撮影では、被写界深度の変化によって様々な特殊効果を生み出すため、絞り設定はより頻繁に調整されます。

絞り =f /1.4被写界深度 = 0.8  cm
絞り =f /4.0被写界深度 = 2.2  cm
絞り =f /22被写界深度 = 12.4  cm
 50mm対物レンズとフルサイズ一眼レフカメラを用いた、異なる絞り値における被写界深度。焦点は最初のブロック列にある。 [ 13 ]

錯乱円の影響

正確な焦点は、レンズから正確な距離にある場合にのみ可能です。[ a ]その距離では、点状の物体は小さな点像を生成します。そうでない場合、点状の物体は、典型的にはほぼ円形の、より大きな、あるいはぼやけた点像を生成します。この円形の点が十分に小さい場合、視覚的には点と区別がつかず、焦点が合っているように見えます。点と区別がつかない最大の円の直径は、許容錯乱円、または非公式には単に錯乱円と呼ばれます。

許容される錯乱円は、最終的な画像がどのように使用されるかによって異なります。25cm離れた場所から見た画像の場合、錯乱円は0.25mmとするのが一般的です。[ 14 ]

35mm 映画の場合、フィルム上の画像領域はおよそ22mm×16mmです。許容誤差の限界は伝統的に直径0.05mm（0.0020インチ）と設定されていましたが、サイズが約半分の16mmフィルムでは、許容誤差はより厳しく、0.025mm（0.00098インチ）となっています。[ 15 ]近年の35mm映画製作では、錯乱円の限界は0.025mm（0.00098インチ）と設定されています。[ 16 ]

カメラの動き

「カメラの動き」とは、レンズホルダーとフィルムホルダーのスイベル（現代の用語ではスイングとティルト）とシフト調整を指します。これらの機能は1800年代から使用されており、現在でもビューカメラ、テクニカルカメラ、ティルト/シフトレンズやパースペクティブコントロールレンズを備えたカメラなどで使用されています。レンズまたはセンサーを回転させることにより、焦点面（POF）が回転し、それに伴い許容焦点範囲も回転します。また、被写界深度の基準によっては、許容焦点範囲の形状も変化します。スイベルをゼロに設定したカメラの被写界深度の計算は1940年代以前から議論、定式化、文書化されてきましたが、スイベルをゼロ以外の値に設定したカメラの計算の文書化は1990年代に入ってから始まったようです。

回転角がゼロのカメラの場合よりも、回転角がゼロでない場合の被写界深度の基準を設定し、計算を行う方法は様々です。被写体が被写界深度（POF）から離れるにつれて、被写体の鮮明度は徐々に低下し、ある仮想的な平面または曲面では、鮮明度の低下は許容できないほど大きくなります。写真家の中には、計算や表を用いる人もいれば、機材の目盛りを用いる人もいれば、画像をプレビューして判断する人もいます。

POFを回転させると、被写界深度の近距離と遠距離の限界はくさび形になり、くさびの頂点がカメラに最も近くなると考えられます。あるいは、POFと平行になると考えることもできます。[ 17 ] [ 18 ]

物体視野計算方法

従来の被写界深度の公式は、実際には使いにくい場合があります。代替として、焦点距離やF値に関係なく、同様の有効計算を行うことができます。[ b ]モーリッツ・フォン・ローアとその後のメルクリンガーは、特定の状況下では有効絶対絞り径を同様の公式に使用できることを指摘しました。[ 19 ]

さらに、従来の被写界深度の式では、近くの物体と遠くの物体の許容できる錯乱円が等しいと想定されています。Merklinger [ c ]は、遠くの物体をはっきりと認識するには、はるかにシャープである必要があることが多いのに対し、近くの物体はフィルム上では大きいため、それほどシャープである必要はないと示唆しています。[ 19 ]遠くの物体の細部の損失は、極端に拡大した場合、特に顕著になることがあります。遠くの物体でこの追加のシャープネスを実現するには、通常、過焦点距離を超えて、場合によってはほぼ無限遠に焦点を合わせる必要があります。たとえば、前景に交通ボラードがある都市の風景を撮影する場合、Merklinger がオブジェクト フィールド メソッドと名付けたこの方法では、無限遠に非常に近い距離に焦点を合わせ、ボラードが十分にシャープになるように絞り込むことが推奨されます。この方法では、前景の物体を常に完全にシャープにできるとは限りませんが、遠くの物体の認識可能性が最も重要である場合は、近くの物体のシャープネスの低下は許容できる場合があります。

アンセル・アダムスなどの他の作家は反対の立場を取り、前景の物体のわずかなぼやけは、シーンの遠くの部分のわずかなぼやけよりも通常はより不快であると主張している。[ 20 ]

DOFの制限を克服する

いくつかの方法や機器では、見かけの被写界深度（DOF）を変更することが可能であり、中には画像作成後に被写界深度を決定できるものもあります。これらは計算画像処理に基づいて、あるいは計算画像処理によってサポートされています。例えば、フォーカススタッキングは、異なる平面に焦点を合わせた複数の画像を合成することで、個々のソース画像よりも見かけの被写界深度が大きい（または必要に応じて小さい）画像を生成します。同様に、物体の3次元形状を再構築するために、被写界深度の異なる複数の写真から深度マップ を生成することができます。XiongとShaferは、「…フォーカス測距とデフォーカス測距の精度向上は、効率的な形状復元手法につながる可能性がある」と結論付けています。[ 21 ]

もう一つのアプローチはフォーカススイープです。焦点面は1回の露光で関連する範囲全体をスイープします。この方法ではぼやけた画像が生成されますが、畳み込みカーネルは物体の奥行きにほぼ依存しないため、計算によるデコンボリューションによってぼやけはほぼ完全に除去されます。これにはモーションブラーを大幅に低減するという利点もあります。[ 22 ]

光走査型マクロ写真（LSP）は、マクロ写真やミクロ写真における被写界深度の限界を克服するために用いられるもう一つの技術です。この手法は、優れた被写界深度を持つ高倍率画像撮影を可能にします。LSPでは、被写体を横切るように薄い光面を、光面に対して垂直に移動するステージ上に設置し、走査します。これにより、被写体全体が最も近い部分から最も遠い部分まで鮮明に焦点が合った状態を保ち、一枚の画像で包括的な被写界深度が得られます。LSPは1960年代に開発され、1980年代と1990年代にさらに改良され、デジタルフォーカススタッキングが普及する以前は、科学写真や生物医学写真において特に有用でした。[ 23 ] [ 24 ]

他の技術では、レンズ設計と後処理を組み合わせて使用​​します。波面コーディングは、制御された収差を光学系に追加して、後のプロセスで焦点と被写界深度を改善する方法です。[ 25 ]

レンズ設計はさらに変更可能です。カラーアポダイゼーションでは、レンズを改造して各色チャンネルに異なるレンズ絞りを持たせます。例えば、赤チャンネルはf /2.4緑はf /2.4青チャンネルはf /5.6そのため、青チャンネルは他の色よりも被写界深度が深くなります。画像処理では、赤と緑のチャンネルのぼやけた領域を識別し、これらの領域に青チャンネルからより鮮明なエッジデータをコピーします。その結果、異なるF値から最良の特徴を組み合わせた画像が得られます。[ 26 ]

極端な場合、プレノプティック カメラはシーンに関する4D ライト フィールド情報をキャプチャするため、写真を撮影した後に焦点と被写界深度を変更できます。

回折と被写界深度

回折により、高F値（つまり、絞りの開口部が狭い）では画像の鮮明度が失われ、被写界深度が制限されます。 [ 27 ]（この影響は、上記の被写界深度の概算値を求める式では考慮されていません。）一般的な写真撮影では、これが問題になることはほとんどありません。なぜなら、 F値が大きいと、許容できる画像の明るさを得るために通常長い露出時間が必要になるため、モーションブラーは回折による損失よりも大きな鮮明度の低下を引き起こす可能性があるからです。しかし、クローズアップ撮影では回折がより大きな問題となり、写真家は非常に小さな絞りで被写界深度を最大化しようとするため、全体的な画像の鮮明度が低下する可能性があります。[ 28 ] [ 29 ]

ハンスマとピーターソンは、個々のぼかし点の平方根を用いて、焦点ずれと回折の複合効果を決定する方法について議論している。[ 30 ] [ 31 ]ハンスマのアプローチは、最大限のシャープネスを与えるF値を決定する。ピーターソンのアプローチは、最終画像で所望のシャープネスを与え、所望のシャープネスを達成できる最大の被写界深度をもたらす最小のF値を決定する。 [ d ]これら2つの方法を組み合わせることで、与えられた状況における最大および最小のF値を与えるものとみなすことができ、撮影者は条件（例えば、潜在的なモーションブラー）が許す限り、その範囲内で任意の値を選択できる。ギブソンも同様の議論を行っており、カメラレンズの収差、拡大レンズの回折と収差、ネガ乳剤、印画紙によるぼかし効果も考慮に入れている。[ 27 ] [ e ]カズンは、ハンスマと本質的に同じ最適F値に関する式を示したが、その導出については議論していない。[ 32 ]

ホプキンス[ 33 ] 、ストクセス[ 34 ]、ウィリアムズとベックランド[ 35 ]は、変調伝達関数[ 36 ]、[ 37 ]を用いて複合効果について議論した。

DOFスケール

多くのレンズには、特定の焦点距離とF値に対する被写界深度（DOF）を示す目盛りが付いています。画像の35mmレンズはその典型です。このレンズには、フィートとメートルで距離目盛りが付いています。目盛りの付いた距離を大きな白い指標の反対側に合わせると、その距離に焦点が合います。距離目盛りの下にある被写界深度（DOF）目盛りには、指標の両側にF値に対応する目盛りが付いています。レンズを特定のF値に設定すると、被写界深度はF値目盛りと一致する距離の間になります。

写真家はレンズの目盛りを使って、希望する被写界深度から逆算して必要な焦点距離と絞りを見つけることができます。[ 38 ]示されている35mmレンズの場合、被写界深度を1mから2mに拡張したい場合は、指標マークがそれらの距離のマークの中央に位置するように焦点を設定し、絞りをf /11. [ f ]

ビューカメラでは、被写界深度を測定し、簡単な計算を行うことで、焦点とF値を得ることができます。一部のビューカメラには被写界深度計算機が搭載されており、撮影者が計算することなく焦点とF値を表示してくれます。 [ 39 ] [ 40 ]

  • f/11に設定されたレンズの詳細。1mと2mの印の中間点、つまりf/11における被写界深度の限界は、焦点距離約1.33m（1と2の逆数の平均の逆数は4/3）を表します。
    レンズセットの詳細f /111mと2mのマークの中間の点、DOFの限界はf /11は、焦点距離が約 1.33 m であることを表します (1 と 2 の逆数の平均の逆数は 4/3 です)。
  • テッシーナフォーカスダイヤルのDOFスケール
    テッシーナフォーカスダイヤルのDOFスケール

過焦点距離

ハイパーフォーカルレッドドット搭載のミノックスLXカメラ
ニコン28mmf /2.8被写界深度を示す目盛りが付いたレンズ。レンズは過焦点距離にセットされます。f /22オレンジ色のマークはf /22無限遠（∞）の位置にある。下からでも焦点は合う。0.7mから無限大まで。
ミノルタ100-300mmズームレンズ。被写界深度、すなわち過焦点距離は、焦点距離と絞り値によって変化します。このレンズは、f /32焦点距離で100mm。

光学と写真学において、過焦点距離とは、レンズからの距離であり、その距離を超えると全ての物体が「許容できる」焦点に収まる距離を指します。過焦点距離は被写界深度が最大となる焦点距離であるため、固定焦点カメラの焦点を設定するのに最も望ましい距離です。[ 41 ]過焦点距離は、どの程度の鮮明度が許容されるかによって大きく左右されます。

過焦点距離には「連続被写界深度」と呼ばれる特性があり、レンズから過焦点距離Hの距離にある物体に焦点を合わせたレンズは、 H /2から無限大までの被写界深度を保持します。レンズをH /2に焦点を合わせると、被写界深度はH /3からHになります。さらにレンズをH /3に焦点を合わせると、被写界深度はH /4からH /2になります。

トーマス・サットンとジョージ・ドーソンは1867年に初めて過焦点距離（または「焦点距離」）について論文を発表しました。[ 42 ]ルイス・ダーは1906年に過焦点距離の公式を初めて導き出した人物と考えられています。ルドルフ・キングスレイクは1951年に過焦点距離を測定する2つの方法について論文を発表しました 。

一部のカメラでは、フォーカスダイヤルに過焦点距離が記されています。例えば、ミノックスLXのフォーカスダイヤルでは、2mから無限遠まで。レンズを赤い点、つまり過焦点距離に合わせると、被写界深度は2mから無限遠まで。レンズによっては、特定のf値における過焦点距離を示す目盛り（被写界深度スケールとも呼ばれる）が付いているものもあります。[ 43 ]

ツァイス・イコン・コンテッサ、過焦点距離20フィートの赤いマークf /8

近距離:遠距離分布

被写体の後ろの被写界深度は、常に被写体の前の被写界深度よりも大きくなります。被写体が過焦点距離またはそれを超える場合、遠方の被写界深度は無限大となるため、この比率は1:∞となります。被写体との距離が短くなるにつれて、近方と遠方の被写界深度の比率は大きくなり、高倍率では1に近づきます。一般的なポートレート撮影距離で絞りを大きくした場合、この比率は1:1に近くなります。

DOF式

このセクションでは、被写界深度を評価するための追加の公式をいくつか紹介しますが、これらはすべて、ガウス光学系 の近軸近似を前提としているなど、重要な単純化の仮定に基づいています。これらの公式は実用的な写真撮影に適していますが、レンズ設計者はより複雑な公式を使用します。

被写界深度の限界からの焦点とF値

与えられた近距離および遠距離の被写界深度限界D NおよびD Fに対して、必要な絞り値は、焦点が

s＝2D北DFD北+DF、{\displaystyle s={\frac {2D_{\mathrm {N} }D_{\mathrm {F} }}{D_{\mathrm {N} }+D_{\mathrm {F} }}},}

近距離と遠距離の調和平均。実際には、これは浅い被写界深度における算術平均と同等である。[ 44 ]ビューカメラのユーザーは、 v N − v F の 差を焦点の広がりと呼ぶことがある。[ 45 ]

前景と背景のぼかし

被写体が距離sにあり、前景または背景が距離Dにある場合、被写体と前景または背景の間の距離を次のように表す。

×d＝|D−s|。{\displaystyle x_{\mathrm {d} }=|Ds|.}

被写体から距離x dにある細部のぼかしディスク直径bは、被写体の倍率m s、焦点距離f、F値N、または絞りdの関数として次のように表すことができます。

b＝fメートルs北×ds±×d＝dメートルs×dD。{\displaystyle b={\frac {fm_{\mathrm {s} }}{N}}{\frac {x_{\mathrm {d} }}{s\pm x_{\mathrm {d} }}}=dm_{\mathrm {s} }{\frac {x_{\mathrm {d} }}{D}}.}

マイナス記号は前景オブジェクトに適用され、プラス記号は背景オブジェクトに適用されます。

被写体からの距離が遠ざかるにつれてぼかしが増加します。bが錯乱円より小さい場合、詳細は被写界深度内にあります。

参照

説明ノート

  1. ^厳密には、平面から正確な距離
  2. ^ F値は焦点距離から算出されるが、
  3. ^イングランダーは論文「見かけの被写界深度: 風景写真における実用的使用」で同様のアプローチについて説明しています。コンラッドは「被写界深度の近距離と遠距離の限界に関するさまざまな混乱の輪」と「オブジェクトフィールドメソッド」でこのアプローチについて論じています。
  4. ^ピーターソンは最小のf値の閉じた形式の表現を与えていないが、そのような表現は彼の式3の簡単な代数的操作から得られる。
  5. ^ギブソン（1975）の末尾の分析セクションは、もともと「Magnification and Depth of Detail in Photomacrography」として、1960年6月のJournal of the Photographic Society of America 、第26巻、第6号に掲載されました。
  6. ^被写界深度を与えられた近距離と遠距離の間に拡張するための焦点距離は、物体共役点の調和平均です。ほとんどのヘリコイドフォーカスレンズには像面から被写体までの距離が記されているため、レンズ距離目盛りから決定される焦点は、記された近距離と遠距離の調和平均と正確には一致しません。

参考文献

引用

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一般的な参考文献と引用文献

さらに読む

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