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【理系向け?!】絞りとSSとISO感度とは?

      2019/08/13

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以前にもカメラの絞り、シャッタースピード、ISO感度のことを書いてますが、自分がどう理解したかを書きたいと思います。

自分がどう理解したか・・・数式でした 笑

言語より数式が物事を理解するのに手っ取り早い。間違いなく。

※理系向け?!ってのは単なる釣りです(オイ

はじめに

デジタルカメラでの光を調節する方法は、絞り(F値)、シャッタースピード(シャッター幕の開放時間)、ISO感度(光に対する感度)の3要素です。

F値、ISO感度は無次元数、シャッタースピードの単位は秒です。

撮影者の「良い」と思う明るさの写真を撮影するためには、それぞれの要素をバランスよく設定する必要があります。

本稿では明るさのみ論じ、ノイズ、被写体ブレ、小絞りボケ等については割愛します。

結論

さきに書いてしまいます。

  • F値を1段上げると、明るさが1/2になる。1段下げると明るさが2倍になる。
  • シャッタースピードを2倍にすると、明るさが2倍になる。1/2にすると明るさが1/2になる
  • ISO値を2倍にすると、明るさが2倍になる。1/2にすると明るさが1/2になる。

ある写真の明るさをB( =Brightness )、F値をF、シャッタースピードをS( =Shutter Speed )、ISO値をIとすると、

B = F \cdot S \cdot I

F値を2倍にすると、

2B = 2F \cdot S \cdot I

ここでシャッタースピードを2倍にすると、

4B = 2F \cdot 2S \cdot I

さらにISO値を2倍にすると、

8B = 2F \cdot 2S \cdot 2I

と、どんどん明るくなります。

が、明るさ以外の要素もあるので、それについては次回に!

興味のある方は下に進んで下さい 笑

F値の1段

まずF値とは、レンズの穴の大きさを表すもので、光の入口を調節する機構。

F値が小さいほど穴は大きく、光の流入量は増加する。

定義: F = \frac{f}{~D~}

但し、f=焦点距離、D=レンズの有効口径(点光源からレンズへ入射する平行光線の光束の直径)

参考:カメラ映像機器工業会規格CIPA DCG-002-2012 デジタルカメラの仕様に関するガイドライン

6ページ 表中・番号3 {レンズの}[F値/絞り値][f-number/aperture]

URL(PDFファイル):

有効口径と焦点距離と絞り値

つまりF値とは、焦点距離(f)を絞りの空いている面の円の直径(D)で割った数。

※単焦点レンズを考えた時、焦点距離(f)は定数となるため、F値は有効口径(D)によってのみ変化する。

※焦点距離も有効口径も大きさ、一般的にmm単位なので、F値の単位は無次元になる(F=mm/mm)。

円の面積(S):S = \pi r^2

 

ex.1)100π (mm^2)の円の面積の直径(有効口径):20mm

r^{2} = 100 \cdots S = 100\pi

r = \sqrt{100} = 10

l = 2r = 2 \cdot 10= 20

ex.2)50π (mm^2)の円の面積の直径(有効口径):14.142…mm

r^{2} = 50 \cdots S = 50\pi

r = \sqrt{50} = 7.071067\cdots

l = 2r = 14.142\cdots

ex.1とex.2の直径の差が√1/2倍となる。

同じ焦点距離の時、絞り面積を1/2にしたとき、有効口径(絞り面積の直径)が√(1/2)倍になるため、F値が1.4→2.0→2.8→4→5.6・・・と大きくなる。

例:焦点距離fが10mm、有効口径10mmだった場合

ex.3)~~~F = \frac{~10~}{10} = 1

例:焦点距離10mmのまま、有効口径を√(1/2)倍された(絞りを1段上げた)場合

ex.4)~~~F = \frac{~10~}{10*\sqrt{\frac{~1~}{2}}} = \frac{~10~}{7.07106...} = 1.4

例:焦点距離10mmのまま、有効口径を更に√(1/2)倍された(絞りを1段上げた)場合

ex5.)~~~F = \frac{~10~}{7.07106...*\sqrt{\frac{~1~}{2}}} = \frac{~10~}{5} = 2

・・・ここまで1段上げると√2倍ずつF値が大きくなる理由を書きましたが、

F値が√2(1段)上がれば(下がれば)、光の流入量(光を受ける面積)が2倍ずつ減る(増える)と覚えて下さい。

シャッタースピード

シャッタースピードは、受光部に光が当たる時間です。

受光部に何秒光(≒撮りたい像に反射した光)を当てるかです。

1/4000秒と1/2000秒だと1/2000秒のほうが2倍長く当てられます。

1/30秒と1/15秒も同じことです。

光を当てる時間がながければ、当然明るい写真になります。逆もしかりです。

ISO感度とは

ISO感度とは、デジタルカメラの受光部における光の感度設定のことで、数値が高いほど高感度(≒暗い場所でも明るく撮影可能)です。

ISO値が2倍になれば、感度も2倍になる。*1

参考:カメラ映像機器工業会規格CIPA DC-004-2004 デジタルカメラの感度規定

5ページ 7.測定値(計算値)から表示値への数値変換表

URL(PDFファイル):

つまりF値もシャッタースピードも同じ場合、ISO200はISO100より2倍明るく撮れます。

フィルムでは各フィルムの数値固有値であるため、フィルムを入れ替えない限り固定値です。

[応用]絞り優先とSS優先モード

ある写真の明るさをB( =Brightness )、F値をF、シャッタースピードをS( =Shutter Speed )、ISO値をIとすると、

B = F \cdot S \cdot I

ここでF値を固定して、2倍の明るさにしたい!というとき(つまり絞り優先モード)は、

2B = F \cdot 2S \cdot I

もしくは、

2B = F \cdot S \cdot 2I

となるため、シャッタースピードを2倍にするか、ISO値を2倍しないといけません。

同様にシャッタースピードを固定したい!というとき(つまりシャッタースピード優先モード)は、F値かISO値を2倍にしないといけません。

気をつけたいのは、

  • F値が小さければボケ、大きければシャープに写る
  • シャッタースピードが小さければ短時間の現象を、大きければ流れる
  • シャッタースピードが小さければブレは軽減できる
  • ISO値が大きければ大きいほどノイズが乗る

ということです。

2倍じゃなくて微調整は。。。?

1段=2倍と書いてきましたが、微調整したいですよね?

って、カメラを持ってる人なら気づいているはず。

絞り値も1.4→1.8→2→3.5→5.6というように上がったり、シャッタースピードも1/100→1/150→1/200・・・というように上がります。

1/2段ずつ上がったり、1/3ずつあがったりします。

この辺の設定はカメラのグレードによって違います。むしろキヤノンのkissと70Dとかの差は、こういう部分の差もあります。

※実際kiss X4だと1/4000秒が最速ですが、50D(同時期のミドルレンジ)は1/8000秒まで早められます。

参考:EOS 50Dの主な仕様EOS Kiss X4の主な仕様

この1/2段や1/3段の調整幅によってエントリークラス、ミドルレンジモデル、ハイエンドモデルとグレードの差になっているようです。

※もちろん他にもセンサーサイズとか、画像エンジンとか、メディアの種類とか諸々あります。

まとめ

絞り、シャッタースピード、ISO値の3つのバランスを理解しようとすると、数式が一番簡単かな・・・と、個人的には思います。

光学製品なので当然っちゃ当然ですが。

数式で理解できれば、絞り優先とかシャッタースピード優先も扱いやすくなるかなと思います。

免責(言い訳ともいう)

個人的に調べたもので、光学は専門外のため間違いもあると思います。

あくまで、管理人・ろべが理解した方法を記載したものです。

・・・光学を学んでみたいとか思ったり 笑

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