カメラのレンズと焦点距離とか画角とか

前文

きっかけとか

カメラを真剣にやろうと思いつつ、凸レンズの仕組みさえ忘れかけているアホが焦点距離とか画角とかわかるわけがなかったので調べる。

注意

いつも通りこちらを読んでもらえば（勉強ノートなので責任は持てない的な）。

このブログについて

勘所

凸レンズは点光源の光を一点に集める
よく見る光路図、何を説明したいかで2種類あるので注意
焦点距離はレンズ自体の特性で、画角はレンズの焦点距離とカメラのセンササイズで決まる

凸レンズの基礎

「実際のレンズには厚みがある」、「カメラのレンズは複数枚の凸レンズ・凹レンズを組み合わせて構成される」など色々あるが、基本的には、話を単純化するために薄い1枚の凸レンズとして考える。

事前に抑えておきたい名称とか

レンズ

主平面：レンズの中央を通る面
主点：主平面上の、レンズの中心点
- 主平面、主点の位置はレンズの厚みや構成などで変わる場合もある（ややこしい話なのでパス）
光軸：主点を通り、主平面に垂直な線

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点光源

360度に光を放射している光源。無限遠にある点光源からの光は並行光として扱える。 f:id:ovobolo:20180924190336j:plain

性質

ある一つの点光源から放射された光を一点に集める（様に出来ている）。（「正確には一点に集まるとは限らず云々」はボケや収差の話なので今はパスする）

レンズに入射した光は屈折して（曲がって）進んでいく。光の進み方を考える際に、点光源から放射された光がどう曲がり、どこに集まるかは計算しないとわからない。そこで、計算しなくても凸レンズの特性として進み方がわかる、以下の光を代表として考える。

並行光↔頂点
1. 凸レンズに入射した光軸と平行な光はある一点に集まる。この点を焦点と呼ぶ
  - 主点と焦点との距離を 焦点距離 と呼ぶ
  - 焦点はレンズの両側に存在する
  - 焦点の位置は、レンズの厚さ等で決まる、そのレンズの持つ特性である！
2. 逆に、焦点を通る光は光軸と平行に出ていく
レンズの中心をとおる光は直進する

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凸レンズによる像

上記の性質に従い、ある一点の光源から出た光はある一点に集まる。この光が集まる場所に像が結像される。この点を 像点（結像点） と言う。

光源（物体）・レンズ・像点の位置関係は、焦点によって定まり、 レンズの法則 と呼ばれる以下の式で計算することができる。（証明は省く）

1/a + 1/b = 1/f

なお

焦点距離f
物体と、レンズの主点との距離a
レンズの主点と、像との距離b

焦点距離が一定の場合、レンズと物体の距離aによって像の位置bが決まるので、ある距離にある物体の像はすべて同じ距離にできる。これを 像面（結像面） という。

カメラの場合、像面にセンサを置けば、その上で結像されるので写真が撮れるという寸法。（ピント調節やズームレンズの仕組みなどはまた別の話に）

雑にまとめると

物体⇔レンズが遠いほど像は近くにできて、遠いほど像は近くにできる
レンズと物体との距離（=a）を変えずに焦点距離を大きくした場合、bが大きくなる

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画角について

画角とは、1枚の写真に写す範囲、世界を切り取る枠の大きさの事。拾う光の最大の角度で表す。

画角を変えても1枚の写真自体の大きさは変わらないため

画角が広い＝広い範囲を切り取るので、一つ一つのものは小さく見える
画角が狭い＝狭い範囲を切りとるので、一つ一つのものは大きく見える（ズーム）となる。

※画角の図はネットに沢山転がっていると思うので省く

画角の決まり方

よく「35mm換算」という言い方をするが、これは画角が レンズの焦点距離とカメラのセンササイズによって決まる為。

APS-Cやマイクロフォーザーズ等では、センササイズが異なるため、同じ焦点距離のレンズで撮ってもフルサイズの場合と画角が異なる。

カメラ界では、フィルム時代からの慣習でセンサが35mm（フルサイズ）と呼ばれる大きさが標準になっている。よく「XXmmはポートレートに最適」「人間の目に近いのはYYｍｍ」など語られるが、これは大抵がセンササイズが35mmの場合に焦点距離何mmのレンズをつければそうなるかを話していて、APS-Cなどでは換算が必要になる。

ただし、焦点距離自体はレンズの持つ特性なので、変化することはない！

図で見る画角

ではなぜ画角に違いが出るのか、を考える際には、これまでののレンズを中心にした図ではなく、センサを固定した図で考えればよい。

実際のカメラだとセンサ＝像面は固定されており、焦点距離によってレンズの位置が変わる。

焦点距離が長いほど、センサが拾える光の範囲が狭くなる。また、センサが小さいと拾える光の範囲が狭くなる。

よって、焦点距離が短いほど、センサが大きいほど、画角は広くなる。

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イメージサークル

上でも説明した通り、レンズはある面からの光をある面（像面）に集め、像を作る。この像ができる範囲は円形をしており、これをイメージサークルと呼ぶ。

基本的にセンサ上にだけ像ができているのでは無く、センサより大きいイメージサークルの一部を切り取っている。ここで、たまにAPS-C専用レンズやマイクロフォーザーズ専用レンズがあるが、これはイメージサークル自体が小さくセンサ上に光が届かず黒くなる部分ができてしまうからである。この光の届かない部分をケラレと呼ぶ。

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まとめ

凸レンズは点光源の光を一点に集める
よく見る光路図、何を説明したいかで2種類あるので注意
焦点距離はレンズ自体の特性で、画角はレンズの焦点距離とカメラのセンササイズで決まる

（勘所のコピペ）

後方見聞録

基本的には自分のための備忘録です