今日のおじさん、なに食べました? (仮)

妻の料理と、おじさんの毎日の記録です。ほんのり工学テイスト。

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レンズ実験その7~カメラの「絞り」とボケやすさ
【今日の夕食】
 今日は、娘(2歳4ヶ月)と、図書館に行きました。妻は、家の片付けです。娘は、オシッコが分かるようになり、今日は毎回トイレ(または風呂場)でできました。
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★米飯

★そば
 山梨土産のそば(長野産)です。冷たいそばがおいしい季節になりました。

★豚しゃぶ

★4点盛りプレート
・トマト
・枝豆
・冷奴
・とうもろこし

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【今日のおじさん】レンズ実験その7~カメラの「絞り」とボケやすさ
 レンズの実験で遊んでいます。以前の記事(→こちら)では、虫メガネと懐中電灯を使って、投影機(またはカメラ)を作ってみました。
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★ピントが合わないときのボケの大きさ
 この投影機を使って、ピントが合わないときのボケやすさについて、調べました(→こちらの記事)。懐中電灯と虫メガネを使った投影機では、ピントが合わない場合、下図のような像が得られます。
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 懐中電灯の直径d1[mm]とすると、壁面の像の直径d2’[mm]は、次式で示されることを、これまでに導きました。
20130622s08.jpg <式1>
 ここで、上式のWとd2は、次式で表されます。d2は、懐中電灯からレンズの距離で決まる像の直径です(ボケを含まない)。そしてWが、ボケによる直径の増加です。
20130622s09.jpg <式2>


★レンズの直径を小さくする「絞り」
 式1から分かる通り、ボケの大きさは、レンズの直径Dが大きいほど、大きくなります。逆に言うと、レンズの直径を小さくすれば、ボケを小さくできます。
 レンズの直径を小さくすることは、比較的簡単です。下の写真のように、レンズの一部を覆ってしまえばよいのです。この覆いを、「絞り」と言います。カメラでは、覆いの開口直径を適宜調整できるようになっています(なっていないものもあります)。絞りを絞る(開口直径を小さくする)ことで、ボケの程度を調整できます。
20130707z2.jpg
 絞りをセットした虫メガネを使って、以前の記事(→こちら)と同様に、投影機を構成しました。
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 この投影機を使って、絞りの有無によって、ボケのサイズがどう変わるかを、実験してみました。絞りのある場合と無い場合のレンズの開口直径D[mm]は、次の通りです。
 ・絞りなし:D=75mm
 ・絞りあり:D=20mm
 また、このレンズの焦点距離f[mm]は、先の実験(→こちら)から、f=255mmと分かっています。「F値(絞り値)」で示すと、次の通りです。(F値=焦点距離÷レンズ直径。F値の詳細については、→こちら
 ・絞りなし:F=3.4
 ・絞りあり:F=12.75


★絞りの有無での像のボケの比較
 レンズから壁面の距離L2=700mmで一定としました。このL2に対して、レンズから懐中電灯の距離L1=400mmで、ピントが合うことが分かっています。
 レンズから懐中電灯の距離C1を、次の3種類に変えて、壁面の像の直径を測定しました(測定器:定規)。
 a)C1=400mm (ピントが合う)
 b)C1=300mm
 c)C1=500mm
 懐中電灯の直径d1=25[mm]です。

 まず、ピントが合っている場合(C1=400mm)の像です。円形部分の直径を定規で測定しました。結果は次の通りです。ピントが合っている場合は、絞りの有無の影響はありません(直径が微妙に違うのは、測定誤差と思われます)。
・絞りなし・開口D=75mm:d2'=45mm(写真左)
・絞りあり・開口D=20mm:d2'=44mm(写真右)
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 なお、左右の写真は同じ位置から撮影しています。ただし、カメラの露出とホワイトバランスは統一していません。実際には、絞りがある場合のほうが、像の明るさが暗くなっています。これは、絞りによって、レンズを通る光の量(総エネルギ)が減少したためです。

 次に、懐中電灯をレンズに近づけて、C1=300mmとします。像は、下のようになります。ピントが合っている場合に比べて、直径がかなり増します。輪郭のぼやけが著しいです。しかし、絞りがある場合は、絞りがない場合よりもボケが小さいです。
・絞りなし・開口D=75mm:d2'=82mm(写真左)
・絞りあり・開口D=20mm:d2'=65mm(写真右)
20130622z2.jpg20130707zsibo2.jpg
 最後に、懐中電灯をレンズから遠ざけて、C1=500mmとしました。このときの像は、下の写真のようになりました。C1=300mmほどではありませんが、像がぼやけています。やはり、絞りがある場合のほうが、ない場合よりもボケにくくなっています。円形部分の直径は、次の通りです。
・絞りなし・開口D=75mm:d2'=63mm(写真左)
・絞りあり・開口D=20mm:d2'=41mm(写真右)
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★絞りでボケが変わる
 実験結果をまとめると、下図のようになります。ピントが合うL2=400mmでは、像の直径は同じです。しかし、ピントが合わなくなると、ボケのために、像の直径が増します。絞りがない場合(レンズ直径D=75mm)は、絞りがある場合(レンズ直径=20mm)に比べて、ボケによる直径増大が顕著です。
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 以上のように、「絞り」を設けることで、像がボケにくくなることが分かりました。別の言葉で言うと、絞りを絞るほど(レンズ直径を狭めるほど)、「被写界深度」が深く(大きく)なります。
 カメラにおいては、絞りを適宜調整することで、ボケの程度を操作することが行われます。絞り値を小さく(=絞りを開く=開口径を大きく=F値を小さく)すれば、主題以外の人や物をボカして、主題を際立たせることができます。逆に、手前から奥まで、全体にピントを合わせたい場合には、絞り値を大きく(=絞りを絞る=開口径を小さく=F値を大きく)すればよいということになります。
 ただ、私の持っているデジタルカメラ(防水コンデジ、オリンパスTG-630)では、絞りは2段階(ワイド端ではF=3.9、11)で、自動切換えです。絞りを調整したい場合は、絞りを調整できるカメラが必要です。

 なお、ボケやすさには、焦点距離も大きく影響します。式1のL2の項が、焦点距離の影響です。これはまた次の機会に説明する予定です。


★まとめ
 懐中電灯と虫メガネで構成した投影機において、絞りの有無で、像のボケやすさを調べました。その結果、次のことが分かりました。
・絞りでレンズ直径を小さくすると、ピントが合わないときのボケが小さくなる。
・絞りでレンズ直径を小さくすると、像の明るさは暗くなる。


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