レンズ

レンズは被写体の像をセンサー上に作る働きを持つ，カメラでもっとも重要な部品の一つです．写真撮影用のレンズは，レンズの片側のある平面の像を，レンズの反対側に，その平面と平行に上下左右反転して投影する性質があります．その像をセンサーで記録することによって写真を撮影することができるのです．

写真撮影用のレンズも虫眼鏡のレンズも，「凸レンズ」という意味では同じ機能をもったレンズです．写真撮影用のレンズを覗けばものが大きく見えますし，虫眼鏡でも被写体の像を作ることは可能です．ただし，虫眼鏡で作ることができる被写体の像は歪んでいたり，部分的にボケていたり，色が滲んでいるなどあまり綺麗ではありません．これらは様々な要因であらゆるレンズに生じてしまう現象で，「収差」と呼ばれています．このような収差を極力少なくするために色々な工夫をしてあるのが写真用レンズです．例えば異なった性質を持ったガラスで作った，形もそれぞれ異なる複数のレンズを上手く組み合わせることである程度収差をなくすことができます．このような工夫がレンズメーカーの腕の見せ所であり，また収差の残り加減がレンズの善し悪しを左右する重要な要素でもあります．一方で収差の残り加減はレンズの個性でもあり，レンズの「味」と表現されるなど，ある程度の収差は逆に歓迎されることもあるのが面白いところです．

実際にはこのような収差がある程度あるのは避けられませんし，全くの無収差がレンズの「理想」とも言い切れないのは上記の通りです．しかし，今後の説明図では簡単のために，このような収差を全く持たない「理想的な」レンズが1枚だけあるものとします．

レンズの基本的性質

結像

上記の通りレンズは，物体から出て一方から入った光を屈折させて，もう一方にその物体の像を作る（結像させる）働きを持っています（図 a）．この像ができる位置にセンサーを置くことで，像を記録することができます．この「像ができる位置にセンサーを置く」作業が「ピント合わせ」です．

同じレンズで比べた場合，物体がレンズから遠くにあればあるほど，像が出来る位置はレンズの近くになります（図 b）．

そして物体が無限の彼方にあると仮定したとき，物体から出た光は平行光線としてレンズに入ります．このとき，その物体の像が出来る位置を「焦点」，レンズの主点から焦点までの距離を「焦点距離」と言い，写真レンズではミリメートル(mm)で表されます（図 c）．

レンズの「主点」とは，ちょうどここで本稿が行っているように，写真レンズ全体を同じ働きをする仮想的な一枚の薄いレンズに置き換えたとき，その仮想的レンズの中心を言います．

実際の写真レンズは複数のレンズが組み合わされており，主点は前側主点と後側主点の2つあります。2つの主点の位置も必ずしもレンズの中心にはありませんので，例えば写真レンズの長さとその焦点距離は普通一致しません．

レンズの焦点はレンズの両側にあります．図 cのように平行な光がレンズの左から入れば右側の焦点に光が集まり，逆に光がレンズの右から入れば，左側の焦点に光が集まります．また，焦点から光が出てレンズに当たるとき，光は図と逆の道筋を辿り，平行な光線となって出て行きます．そこで，図を左右逆に眺めて，図の物体と像の位置関係を逆にしても，この図は成り立ちます．例えば図 aのA'B'の位置に物体を置けば，ABの位置に像が出来ます．レンズに物体を近づけると，像が出来る位置がレンズから遠ざかっていくのは図 bを左右逆に眺めても同じです．さらに図 cのように物体をどんどんレンズに近づけて焦点Fに置くと，レンズから出た光は平行光線になり，像を結びません．

ところで，図では1点から3本の光線しか出ていませんが，これは作図にあたって分かりやすいように選んだ光線です．まずレンズの軸に対して平行な光線は，屈折したあとレンズの後側焦点を通ります．レンズの前側焦点を通った光は，屈折したあとレンズの軸に平行に進みます．3本の中心の光線は「主光線」と呼ばれる光線です．絞りを絞っていくと，絞りの羽根に遮られた光はセンサーに届かなくなりますが，絞りの中心を通る光線は最後まで残ります．この光線を主光線と呼び，被写体のある一点からでた光線の基準となる光線とされます（図には絞りがありませんが，レンズと同じ大きさに絞りが空いているのと同じ事ですから，絞りの中心はレンズの中心に一致します）．実際には主光線もレンズを通る時に屈折するのですが，本稿では作図の都合上，すべて直線で表現しています．またこの3本の光線の他にも，光線は被写体からあらゆる方向に出ており，この3本の光線の間や外側の光線も，図と同じ位置に像を結びます．

焦点距離の違いと結像

焦点距離の異なるレンズを比べると，図d と図e から読み取れるように，焦点距離が短いほど被写体は小さく写り，画角（写真に写る範囲）が広くなります(図d)．逆に長いほど被写体が大きく写り，画角が狭くなります（図e）．おおよその目安として焦点距離がセンサーの対角線の長さと同じくらいのレンズを「標準レンズ」，それより短いものを「広角レンズ」，それより長いものを「望遠レンズ」と呼んでいます．風景や室内など，できるだけ広い範囲（画角）のものを写したいときには広角レンズが，野生動物やスポーツ選手など近づきにくいものには望遠レンズが使われるなど，焦点距離は写真レンズの用途を分ける一番大きな要素といえます．

写真レンズ

写真レンズで一番重要な特性は，上記の「焦点距離」と，もう一つは「開放F値」です．この2つの数値でレンズの特徴が決定されると言ってよいでしょう．写真レンズの型番も，大抵はこの2つの数値を組み合わせて50mm F1.4 などと決められます．焦点距離については，遠くのものを大きく写したいときには焦点距離の長い望遠レンズを使い，広い範囲を写し込みたいときには焦点距離の短い広角レンズを使う，というのは前述のとおりです．もう一方の開放F値は，そのレンズで設定できる一番小さい（明るい）F値を表します．F値はできるだけ沢山の値から選べた方が表現の幅が広がりますので，開放F値は小さいほど優秀と言えます（F値の大きいレンズを作るのは簡単なのと，「小絞りボケ」という現象のせいで，あまり大きいF値は実用性に欠ける部分があるので，通常最大F値が大きいことは差別化になりません）．

開放F値

露出の項で説明した通り，F値とはカメラが光を取り込む度合いを表す数値です．このF値が小さいほど，光を取り込む量が大きくなります．ほとんどのレンズは絞りを使ってF値を変化させることができますが，開放F値とはそのレンズが取り得る最も小さいF値を表します．この値には単位がないのでイメージしづらいのですが，この値が半分になると，明るさが4倍になるのは露出の項で解説した通りです．ということは，同じ光の条件下で撮影するとき，開放F値が半分の大きさのレンズを使えば，シャッタースピードを最大で4倍にできるということです（このことから、英語圏では開放F値が小さいレンズを「fast lens(速いレンズ)」と表現し，開放F値の大きさのことも“lens speed”と表現します）．また，被写体の背景をぼかした撮影をするには，出来るだけ小さいF値で撮影するのですが，このとき開放F値が小さいレンズを使えばより小さいF値を選択することが出来，よりぼかした表現が可能になります．つまり，開放F値が小さいレンズの方がシャッタースピードやボケの表現の幅が広がる，よいレンズであるということができます．

さて，上記の関係を理解するためには，F値がどうやって定められているかを知る必要があります．F値は，以下の式で表されます．

開口径とは，レンズの光を通す部分の直径のことです．ただレンズだけを取り出して見ればレンズの直径とほぼ同じですが，カメラの場合は絞りが付いており，この開口径を調節することが出来ます．式の分母にある開口径aを小さくすると，F値は大きくなりますが，このことは絞りを絞れば開口径が小さくなり，像は暗くなることを想像すれば納得がいくと思います．

分かりづらいのはなぜ分子に焦点距離fが表れるのか，でしょう．焦点距離の説明で触れたとおり，有限の距離にある被写体はレンズから焦点距離fよりも離れたところに結像します．その時，fが大きくなればなるほど，できる像の大きさも大きくなるのは，例えば図d と図e で解説したとおりです．ですが焦点距離の違うレンズを使っても，開口径が同じならば，もともと入ってくる光の量は同じです．ということは，像が大きくなればなるほど，単位面積あたりの光の量は少なくなります．よって，焦点距離fが大きくなればなるほど暗くなるのです．

さて，焦点距離fが2倍になれば，像の大きさも2倍になり像の面積は4倍になりますから，単位面積あたりの光の量は1/4になります．一方，開口径aが2倍になると，光が通る面積は4倍になりますから，光の量は4倍になります（1点から出てレンズを通った光は1点に結像しますから，レンズを通る光が4倍になれば，結像面にあたる光の量も4倍になります）．つまり，明るさはfの2乗に反比例し，aの2乗に比例することになりますから，f/aの2乗に反比例します．f/aすなわちF値が2倍になると，明るさは1/4になるのです．

注意深い方はお気づきのように，実際に像の大きさが2倍になるのは，焦点距離ではなくレンズと像の距離が2倍になったときです．レンズと像の距離は，被写体が無限遠にあるときはfですが，それより近い場合はfよりも大きくなります．しかし，レンズと被写体との距離を考慮に入れると計算が複雑になるので，一般的にF値の計算からレンズと被写体との距離の影響は省略されています．
ただ，特にマクロ撮影など，被写体とレンズ（の主点）の距離がかなり近いときには，このような大雑把な計算と実際の明るさの差が無視できなくなるので，実際の明るさを反映した「実効F値」という値が使われます．詳しくは別の項目で解説しようと思いますが，例えば被写体とレンズの距離が，レンズの焦点距離の2倍だと実効F値はF値の2倍に，3倍だと1.5倍，6倍だと1.2倍，10倍で1.1倍，100倍で1.01倍くらいになります．焦点距離60mmのレンズを使うとき，焦点距離の6倍から10倍の0.4mから0.6m程度も離れれば，実効F値とF値の差を考慮する必要はないでしょう．焦点距離の3倍の18cm程度よりも被写体に近づく時には，レンズのF値よりも実際には暗くなることを考慮する必要があります．ただこれくらいの短い距離になると，レンズの主点と被写体との距離は普通正確には分かりませんので注意が必要です．