写真はなぜ写る？カメラの原理の基本が分かった！

最近、カメラの基礎知識を勉強しています。今日は、そもそも何でカメラで写真が撮れるの？ということについて私が理解した範囲で書いてみたいと思います。教科書としては、下の本を参考にしています。

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図解入門よくわかる最新レンズの基本と仕組み (How‐nual図解入門―Visual guide book)

写真の目的

写真の目的とは何かということに一言で答えるのは難しいと思います。しかし、そもそもは

「人間の目が見ているのと同じ画像を記録して残したい」

ということから始まったのではないでしょうか。

人間の目は何を見ているのか

では、人間の目が見ている画像とは何でしょうか。

人間は、自分の外界の物体の配置や材質などを判断するために目を使っています。それを考えると、目に最低限必要な機能というのは、まず「外界の物体の一点は一点として認識する」ということでしょう。突進してくる一頭の象が二頭に見えたら、また逆に二頭のライオンが一頭に見えたら、生き残るのは結構たいへんになりそうです。

しかし、人間の目の情報を受取る部分である網膜は二次元のスクリーンです。三次元の世界の情報を二次元で認識しようとしても原理的に無理があります。ですので、少し目標を下げて、

目の焦点を合せている距離にある平面上の一点は一点として認識する

としましょうか。実際、人間の目はこの機能を持っているように思われます（人間には二つの目を使って三次元の情報もある程度認識していますがここでは省略します）。

人間の目を模倣する（ピンホールカメラ）

カメラの原型と言われているのが、ピンホール現象を利用したピンホールカメラと呼ばれるものです。これは、小さな穴（ピンホール）の空いた遮蔽板を通すと、対象の像がくっきりとそのまま映るという現象のことです。

この原理を説明したのが下の絵です。

ある距離のところに木が描かれた絵が置いてあるのを想像して下さい。真ん中の小さな穴が空いた板で光線の通り道を制限することで、絵の木の各位置とスクリーンに映った木の各位置には一対一の対応（写像）ができます（上下左右は逆になります）。

初期のピンホールカメラは、この映った像を肉眼で見たりペンでなぞって記録するということに使われていたそうです。

このように、実にうまい方法で人間の目を模倣することができたピンホールカメラですが、光の通り道が小さいため、スクリーンに映る像が暗いという欠点がありました。明るくするには穴を大きくすればいいのですが、そうすると今度は像がぼやけてしまいます（一対一の対応が崩れる）。

レンズの利用

そこで、穴を大きくしながらも一対一の対応を保つ働きをもつものとして、レンズ（凸レンズ）が利用されるようになります。このようにカメラにレンズが利用されるようになったのは16世紀になってからのことだそうです。

この原理を示したのが下の絵です。

対象の一点から出たより多くの光線が凸レンズの集光によってスクリーン上の一点に集まっていることが分かります。

なお、上の説明では対象が二次元の木の絵と考えましたが、現実世界ではこの後ろや前にも物体があります。そういう物体がどう映るかというと、ボケて写ります。数学的に言うと、一対多の対応になっているわけですね。よく写真で、ピントが合っている物の背景や手前のも物がボケているのはこのためです。

人間の目も水晶体というレンズを利用していますので、レンズカメラというものは、知ってか知らずか人間の目を模倣しているということができるかもしれません。

上の説明では理想的なレンズを考えましたが、実際のレンズではそんなに簡単に光線が１点に収束しません。カメラはこの後、そのような欠点を克服する方向に進化していきます。

まとめ

カメラで写真が撮れる原理について勉強して理解したことをまとめてみました。これまで、カメラの原理については不思議に思いながらも、良く調べないでただカメラを利用していましたが、少し理解が深まった気がします。もし何か理解間違いがありましたらご指摘いただけますと嬉しいです。

余談

ちなみに、ピンホールカメラの原理は、目が悪い人がメガネを忘れた時にも利用できます。紙か何かに小さい孔を開けるか、それがなければ手を筒のようにしてそれを通して黒板などを見ると、多少ピントが改善します。ピンホール原理によって既にピントがあった光線しか来ませんので、目の悪さにあまり影響を受けずに見ることができるわけですね。

そういえば、昔、下の様なメガネが雑誌の付録でついていて、試してみて面白いなあと思った記憶があります。当時は視力回復効果を謳っていた気がしますが、原理はよく分かりません。ピントを調節する必要がなくなるので目の筋肉が緩んで…ということでしょうか。本当に効くとしたら、安いので試してみてもいいですね。じわじわと目が悪くなってきていて、もう今ではメガネ無しでは生きられない感じになってしまっていますので、それで回復したら儲けもんです。

seiei 疲れた目をリフレッシュ! 遠近兼用 ピンホールメガネ

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