カメラの明るさについて

Question

カメラの明るさに関して質問が２点あります。

レンズでＦ値が小さいと明るいレンズと一般に言われますが、よく理解できません。
例えば同じレンズでＦ値を変える場合は絞りによりレンズの有効径が変わるため理解できますが、専門書等をみると暗所撮影はＦ値が小さいレンズが明るく有利との記載があります。個人的に思うのは開放Ｆ値で撮影するなら明るさはＦ値ではなくレンズ径（ISO、ｼｬｯﾀｰ速度等は考えない）に依存すると思うのですが？

イメージセンサーは大きい方が有利（明るさに関して）と言われますが、光はレンズを介しているので、イメージセンサーが小さくなるとレンズによる光の集中も強くなり単位面積あたりの光量が増えるため、センサー素子が小さくても明るさに関しては不利にならないと思うのですがいかがでしょうか？。

yoshimasa2000 · Accepted Answer

F値はレンズの有効口径と関連した数値ですから、F値＝レンズ径と考えていただいてもかまいません。おおよそ間違っていません。

＞単位面積あたりの光量が増える

これもある意味スジが通っているように感じますが、単位面積というより、あくまで「1画素あたりの光量」で考えてみてください。

単位面積の光量が同じでも、その単位面積によりたくさんの画素があったら、1画素あたりの光量は減ります。

たとえばイメージセンサーのサイズが半分で、画素も半分なら、たしかに光量としては同条件です。

tsukin-cyclist · Answer

No.12です。

焦点距離が長くなる＝望遠レンズです。拡大されるのはイメージ出来るでしょう？

光を無駄にしている訳ではなく、画角が狭くなるから一部しか写らないのです。望遠なのでこれもイメージ出来ると思います。

50mm F2.8 の口径は17.9mm程度、開口面積は1000平方ミリメートル程度です。200mm F2.8 の口径は71mm程度、開口面積は16000平方ミリメートル程度です。16倍の集光力があります。

写る範囲は、1/16です。これを面光源を移したと考えれば、50mmで写せる1/16の光源面積しか利用できない訳ですから、集光力が16倍で丁度同じ照度が得られる事になるのです。

星は面光源では無く点光源です。望遠鏡で何百倍で見ても点です。面光源と異なるので、口径が物を言うのです。特殊な被写体です。

リタイヤマン · Answer

一般的には、同じ焦点距離・レンズ口径で同じセンサーに集めるならF値は同じです。
同じ焦点距離・レンズ口径なら、小さいセンサーに集めるほうがF値は小さくなり、センサーが同じならレンズ径が大きいほうがF値が小さくなります。
これを一般的にF値が小さいほど明るいと言ってます。

tsukin-cyclist · Answer

例えば、F2.8 で50mmと200mmのレンズがあった場合、口径は200mmのレンズの方が4倍になります。

これで集めた光が、撮像素子面で16倍の明るさになるかを考えて見ると、像自体が4倍の大きさに拡大されてしまうので、照度は結局1/16になります。

センサーが利用できる明るさ自体は、結局F値次第です。

これが成立しないのは、星くらいじゃないですかね？　点光源なので、撮像素子上にも点で像を結びますので、集光力がものを言います。これと一般的な面積を持つ被写体を混同されているように思います。

リタイヤマン · Answer

大変勉強家なのが伝わってきます。
ただ、F値について、光量だけだと思っているように思いますので、ご自分で、計算の仕方を調べてみたほうが良いと思います。
そうすれば、焦点距離やレンズ径、絞り、センサー(あるいはフィルム)の大きさの関係が分かります。
また、センサーの大きさは明るさに対しての有利不利だけではないことも分かってくると思います。
例えば、https://www.fujiya-camera.co.jp/blog/detail/info/20231019/
とか、別のサイトを調べることをお勧めします。

fba · Answer

…説明が面倒なんだけど。

>イメージセンサーは大きい方が有利（明るさに関して）と言われますが、光はレンズを介しているので、イメージセンサーが小さくなるとレンズによる光の集中も強くなり単位面積あたりの光量が増えるため、センサー素子が小さくても明るさに関しては不利にならないと思うのですがいかがでしょうか？。

量子力学的なお話を持ち出す必要があるので説明が面倒なんですけど、1画素のサイズが小さいほどノイズが増えるので暗所で不利になります。

雨の日にバケツとコップを外に出して水の溜まる速さを比べてみると直感的に理解できるのですが、まあ当然底面積の大きなバケツのほうが溜まるのが速いですよね。でもバケツとコップの側面が水を吸う材質だったら？底面積に対して側面の面積が大きなコップのほうが不利になりますね。

困ったことに捉えられる光子の量はほぼ1画素の面積で決まってしまうので、ノイズの話を無視できたとしても感度については大画素ほど有利になります。（天文学などでは-10度とかプロ仕様だと-200度近くまで冷やしてノイズを激減させていますが、やはり画素サイズを取らないとダメと聞いています。）

ちなみに、フィルムでも化学反応の閾値の問題があるので、大きいフォーマットのほうが画質で有利になるのは変わりありません。

fadklsj · Answer

ご丁寧な回答ありがとうございます。説明させて頂いた部分について、いくつか理解できていない点、思い込みが理解を妨げている点があると感じますので、改めて質問させてください。

① F値と光量の関係について

F値が小さいレンズが明るいと言われるのは、単位時間あたりにセンサーに届く光の量が多いからです。

この説明は理解できます。しかし、私の理解では、開放F値の状態では、レンズの有効径が最大となり、レンズから取り込める光の量はレンズ径に依存すると考えます。

例えば、有効径80mmのレンズでF2.8とF4.0のレンズがあった場合、どちらも開放F値では有効径が80mmなので、取り込める光量は同じではないでしょうか？

回答ではF値が小さい方がより多くの光を取り込むと説明されていますが、開放F値ではF値がレンズ径と焦点距離の比率で決まるため、レンズ径が同じであればF値が小さくても光量に変化はないと考えています。

② センサーサイズと明るさの関係について

イメージセンサーが大きい方が有利と言われるのは、1つ1つの画素（センサー素子）が大きく、より多くの光を受け取ることができるからです。

これは理解できます。しかし、センサーサイズが半分になった場合、同じ量の光がより狭い範囲に集中し、単位面積当たりの光量が増えるのではないでしょうか？

例えば、センサーサイズが1/2になった場合、同じ光の量が半分になったセンサーに集中することになります。つまり、単位面積当たりの光量は2倍になるはずです。

この場合、画素数が同じであれば、1画素当たりの光量も2倍になり、明るさに関しては不利にならないと考えられます。

まとめ

私の理解では、開放F値ではF値はレンズの光量には影響せず、レンズ径が光量を決定すると考えています。また、センサーサイズが小さくなった場合、単位面積当たりの光量は増えるため、明るさに関しては不利にならないと考えています。

これらの私の考え方に誤りがあれば、ご指摘頂けると幸いです。

angkor_h · Answer

No.2です。

> 有効径が同じなのにＦ値が小さいだけで明るくなるという理屈が
有効径が同じなのにＦ値が小さいという場合は、
焦点距離が短いという事になります。

カメラ撮影の場合、被写体は焦点距離のはるか遠くにあります。
このような場合は、
被写体が遠くにあるほど、逆に言えば焦点距離が短いほど、
フイルム等に映る実像が小さくなるので、
実像に対する光量の比率が高まる、と言う結果です。

リタイヤマン · Answer

例えば、ちょっと暗い場所で撮影しようとすると、もっと絞りを開けたいと思いますね。
この場合、明るい(F値の小さい)レンズのほうが有利だということです。
また、光線を受ける面積が広いほうが光を多くキャッチできますが、レンズも大きくする必要があります。
そのため、スマホのようなレンズが小さいものは、イメージセンサーを小さくすることで明るさを補っています。

ばけつプリン · Answer

レンズのF値に関しては同一焦点距離のレンズで比較するなら、明るさはF値に依存すると言っても、レンズ径に依存すると言っても、言い方が違うだけでどちらも同じことで正しいです。

イメージセンサーについても明るささに関して大きい方が有利という事はありません。質問者さまの認識で合っています。

明るさに関してイメージセンサーが大きい方が有利というのは、高感度撮影する場合の事ではないでしようか？
センサーの大きさが異なる同一画素数のカメラがあるとすると、センサーの大きなカメラのほうが1画素当たりの面積が大きくなります。
高感度撮影をするとレンズから入った光の他に電気信号や熱などによるノイズがイメージセンサーに現れる事があります。
このレンズからの光とノイズを区別する際に、1画素当たりの面積が小さいとノイズをノイズと判定出来ずに画像として出力してしまうことがあります。
そのため大きいイメージセンサーは高感度撮影に有利となります。
もしかするとこの事から、大きい方が暗い場所での撮影に有利→大きい方が明るさに関して有利、という話になったのかもしれませんね。

カメラの明るさについて

F値はレンズの有効口径と関連した数値ですから、F値＝レンズ径と考えていただいてもかまいません。

No.12です。

一般的には、同じ焦点距離・レンズ口径で同じセンサーに集めるならF値は同じです。

例えば、F2.8 で50mmと200mmのレンズがあった場合、口径は200mmのレンズの方が4倍になります。

大変勉強家なのが伝わってきます。

…説明が面倒なんだけど。

ご丁寧な回答ありがとうございます。

No.2です。

例えば、ちょっと暗い場所で撮影しようとすると、もっと絞りを開けたいと思いますね。

レンズのF値に関しては同一焦点距離のレンズで比較するなら、明るさはF値に依存すると言っても、レンズ径に依存すると言っても、言い方が違うだけでどちらも同じことで正しいです。

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